电子科技大学张波、明鑫教授团队在激光雷达GaN驱动芯片领域取得系列突破

激光雷达（LiDAR）正加速赋能高级驾驶辅助系统（ADAS）、机器人导航及无人机测绘等对实时性和远距离三维感知要求极高的场景。实现高分辨率、远探测距离的关键在于激光二极管驱动器（LDD，包括预驱动器和控制开关M_CTRL）能否输出高峰值功率与极窄脉宽的光脉冲。传统Si基功率器件受限于较高的FOM值（栅电荷Q_Gx导通电阻R_ON），在高速、大电流脉冲驱动场景下面临明显瓶颈。相比之下，基于GaN控制开关的LDD架构，能够充分发挥GaN功率器件的高开关速度优势，为实现更高分辨率和更远探测距离的dToF LiDAR系统提供关键支撑。

图1激光雷达（LiDAR）系统中激光二极管驱动器LDD工作原理

电子科技大学张波、明鑫教授团队长期专注于高速MHz单通道GaN驱动器设计，适配dToF LiDAR、无线充电器、面部识别等前沿应用，形成了覆盖“单片GaN集成”和“Si基预驱动+GaN基M_CTRL”两大技术路线的系列成果，相关成果发表在集成电路设计领域TOP期刊《IEEE Journal of Solid-State Circuits》、电力电子领域TOP期刊《IEEE Transactions on Power Electronics》，并连续4年在功率半导体领域国际顶级会议International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs做口头报告，授权中国发明专利5项，成功支撑氮矽科技实现产品量产。

高频（MHz级）窄脉宽（ns级）工作时，栅极驱动环路的寄生电感L_G会限制M_CTRL开关速度，引发栅压振铃，导致误开启或过压风险。为解决这一根本问题，团队探索将预驱动和M_CTRL单片集成的全新路径。

针对自举电容充电不饱和导致栅极压摆率受限问题，团队提出电源轨充电饱和自举（Power-rail charging saturation bootstrap, PCSB）技术。通过嵌入式交叉耦合电荷泵（Embedded cross-coupled charge pump, ECCP）+ 3VDD偏置级，显著提升栅极压摆率。集成过流保护电路，采用自动调零技术将GaN比较器失调电压降低20倍以上。栅极上升/下降时间比仅1.28，短路保护响应时间43ns。通讯作者为明鑫教授，第一作者为秦尧博士。

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图2 (a) 电源轨充电饱和自举技术的系统架构 (b) 20MHz频率下工作波形，短路保护快速响应

团队提出基于3X自循环电荷泵（3×SCCP）的GaN单片LDD架构，有效打破功耗与上拉能力之间的设计瓶颈。该结构利用自循环电荷泵控制开关M_S为LDD上拉管M_SRC栅极充电，扇出结构降低了泵电容充电路径的输出电容，在不增加驱动功耗前提下显著提升LDD上拉能力。采用晶圆级芯片封装降低寄生电感，在20MHz开关频率，10A驱动输出电流条件下，实现435ps上升时间和259ps下降时间。通讯作者为明鑫教授，第一作者为博士生庄春旺。

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图3 (a) 基于3X SCCP 的LDD电路  (b) 芯片照片和20MHz工作频率下测试结果

为进一步提升驱动上拉能力，团队提出预自举和稳健死区时间插入（Pre-boosting and robust dead time，PBRD) 技术。该策略利用信号链传输延时，预先抬升驱动级自举电压V_bias1，从而增强充电开关Q_E,S6充电能力，在不增加功耗前提下进一步提高驱动能力。在20MHz开关频率、10A驱动输出电流下，测得上升时间为319ps，下降时间为406ps。该技术由博士生庄春旺在ISPSD 2023上做口头报告，通讯作者为明鑫教授。

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图4 (a) 基于PBRD的LDD电路  (b) 芯片照片和20MHz工作频率下测试结果

为解耦驱动上拉能力和驱动损耗间制约关系，团队提出低功耗增强上拉（Low-power enhanced pull-up，LPEP) 方案。将充电电流I_char路径和损耗电流I_leak路径分别解耦至耗尽型器件D_S的栅回路和沟道，在较小的I_leak下，实现大的充电电流I_char，大大降低了全GaN栅驱动器的功率损耗。20MHz开关频率、10A驱动输出电流下，测得GaN功率器件开启时间为710ps，关断时间为660ps。采用LPEP技术的单级反相器静态损耗电流仅为28µA。该技术由博士生庄春旺在 ISPSD 2024上做口头报告，通讯作者为明鑫教授。

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图5 (a) 基于LPEP的LDD电路 (b) 功耗对比和10MHz工作频率下测试结果

团队探索性地提出无电荷泵（Charge Pump）型GaN基驱动方案。该架构基于TCAC有源钳位技术，可在宽压输入范围内将栅极驱动电压稳定钳位至~5V。其核心优势体现在两个方面：其一，彻底摒弃常规电荷泵驱动所需的大面积自举电容，显著缩减芯片面积并实现超低传输延时；其二，从根本上解决电荷泵电容因GaN栅极漏电而导致的低频信号传输异常问题，确保驱动在低频工况下高可靠性运行。测试数据显示，芯片具备1.62ns的极低传输延时，且能在20MHz频率下正常运行。该技术由博士生陆毅在ISPSD 2025上做口头报告，通讯作者为明鑫教授。

图6 (a) TCAC有源钳位驱动 (b) 20MHz下测试结果 (c) 传输延时测试结果

团队提出具有电荷转移自举（Charge-transferring bootstrap，CTB）电路的双NMOSFET输出缓冲器。CTB技术通过小电容C_charge和电源轨VDD协同为自举电容C_boot1补充因电荷分享造成的电荷损失，不额外增加电源轨的情况下，增强预驱动器驱动能力，减小自举电容面积。在100pF负载电容下，驱动器实现50MHz开关频率，0.9ns最小输出脉宽，2.41ns和2.56ns开启和关断延时，栅压上升/下降时间分别为323ps和333ps。该工作由秦尧博士在 ISPSD 2024上展示，通讯作者为明鑫教授。

图7 (a) 系统框图(b) 50MHz工作频率，最小脉宽，延时，输出上升和下降时间测试结果

图8 专用单通道驱动芯片DX1003W系列

基于电子科大和氮矽科技联合研发成果，公司推出专用单通道高速驱动芯片DX1003W，专为增强型GaN HEMT优化设计。其分离式输出架构（OUTH与OUTL）允许工程师通过外部电阻独立调节功率器件开启与关断过程的驱动强度与速度，从而灵活优化开关波形、效率与电磁干扰（EMI）表现。DX1003W支持高达60MHz的工作频率，具备业内领先的370ps上升时间与350ps下降时间，以及2.5ns/2.6ns的传播延迟，显著降低开关损耗，提升系统整体效率与带宽，精准定位于对时序与效率有极致要求的先进应用场景，包括车载激光雷达、E类无线充电器、3D面部识别传感、GaN同步整流器等。

相关工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、广东基础与应用基础研究项目的支持。

论文链接：

JSSC:

https://ieeexplore.ieee.org/document/11153742

TPE：

https://ieeexplore.ieee.org/document/11214293

ISPSD：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10147581

https://ieeexplore.ieee.org/document/10579657

https://ieeexplore.ieee.org/document/10579560

https://ieeexplore.ieee.org/document/11117468

产品介绍：

https://www.danxitech.com/attachment/files/2026/02/06/file_1770359658_OAoHlC4H.pdf

*电子科技大学张波、明鑫教授团队 供稿

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