激光雷達(dá)（LiDAR）正加速賦能高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)、機(jī)器人導(dǎo)航及無(wú)人機(jī)測(cè)繪等高精度三維感知要求極高的場(chǎng)景。傳統(tǒng)Si基功率器件面臨明顯瓶頸，而基于GaN的激光二極管驅(qū)動(dòng)器（LDD）能夠充分發(fā)揮高開關(guān)速度優(yōu)勢(shì)，為高分辨率、遠(yuǎn)探測(cè)距離LiDAR系統(tǒng)提供關(guān)鍵支撐。

近期，電子科技大學(xué)集成電路學(xué)院張波教授領(lǐng)銜的功率集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)室明鑫教授課題組長(zhǎng)期專注于高速M(fèi)Hz單通道GaN驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，在領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊和頂級(jí)會(huì)議發(fā)表多篇論文。相關(guān)工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的支持，并與企業(yè)合作實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，支撐相關(guān)公司推出高速GaN驅(qū)動(dòng)量產(chǎn)芯片。

一、“單片GaN集成”方案：從根源抑制寄生效應(yīng)

高頻（MHz級(jí)）窄脈寬（ns級(jí)）工作時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路的寄生電感LG會(huì)限制MCTRL開關(guān)速度，引發(fā)柵壓振鈴，導(dǎo)致誤開啟或過(guò)壓風(fēng)險(xiǎn)。為解決這一根本問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)探索將預(yù)驅(qū)動(dòng)和MCTRL單片集成的全新路徑。

論文1： 電源軌充電飽和自舉技術(shù)（PCSB）

提出嵌入式交叉耦合電荷泵（ECCP）+3VDD偏置級(jí)，顯著提升柵極壓擺率；集成過(guò)流保護(hù)電路，采用自動(dòng)調(diào)零技術(shù)將GaN比較器失調(diào)電壓降低20倍以上。柵極上升/下降時(shí)間比僅1.28，短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間43ns。通訊作者為明鑫教授，第一作者為秦堯博士。

論文2：3X自循環(huán)電荷泵技術(shù)（3X SCCP）

利用扇出結(jié)構(gòu)，有效打破功耗與上拉能力之間的設(shè)計(jì)瓶頸，采用晶圓級(jí)芯片封裝，在20MHz開關(guān)頻率，10A驅(qū)動(dòng)輸出電流條件下，實(shí)現(xiàn)435ps上升時(shí)間和259ps下降時(shí)間。通訊作者為明鑫教授，第一作者為博士生莊春旺。

論文3：預(yù)自舉和穩(wěn)健死區(qū)時(shí)間插入技術(shù)（PBRD）

利用信號(hào)鏈傳輸延時(shí)預(yù)先抬升驅(qū)動(dòng)級(jí)自舉電壓，在不增加功耗前提下進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)能力。在20MHz開關(guān)頻率、10A驅(qū)動(dòng)輸出電流下，測(cè)得上升時(shí)間為319ps，下降時(shí)間為406ps。該技術(shù)由博士生莊春旺在ISPSD 2023上做口頭報(bào)告，通訊作者為明鑫教授。

論文4：低功耗增強(qiáng)上拉技術(shù)（LPEP）

將充電電流Ichar路徑和損耗電流Ileak路徑解耦，在較小的Ileak下，實(shí)現(xiàn)大的充電電流Ichar。20MHz開關(guān)頻率、10A驅(qū)動(dòng)輸出電流下，開啟時(shí)間為710ps，關(guān)斷時(shí)間為660ps，單級(jí)反相器靜態(tài)損耗電流僅為28μA。該技術(shù)由博士生莊春旺在ISPSD 2024上做口頭報(bào)告，通訊作者為明鑫教授。

論文5：溫度補(bǔ)償有源鉗位技術(shù)（TCAC）

提出無(wú)電荷泵型GaN基驅(qū)動(dòng)方案，摒棄常規(guī)電荷泵驅(qū)動(dòng)所需的大面積自舉電容，顯著縮減芯片面積并實(shí)現(xiàn)超低傳輸延時(shí)（1.62ns）；且能可靠的工作在低頻工況。該技術(shù)由博士生陸毅在ISPSD 2025上做口頭報(bào)告，通訊作者為明鑫教授。

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖 1(a) 電源軌充電飽和自舉技術(shù) (b) 3X自循環(huán)電荷泵技術(shù) (c) 預(yù)自舉和穩(wěn)健死區(qū)時(shí)間插入技術(shù) (d) 低功耗增強(qiáng)上拉技術(shù) (e) 溫度補(bǔ)償有源鉗位技術(shù) (f)高速GaN驅(qū)動(dòng)測(cè)試波形

二、“Si基預(yù)驅(qū)動(dòng)+GaN基MCTRL”方案

論文6 提出具有電荷轉(zhuǎn)移自舉（CTB）電路的雙NMOSFET輸出緩沖器。通過(guò)小電容Ccharge和電源軌VDD協(xié)同為自舉電容Cboot1補(bǔ)充因電荷分享造成的電荷損失，在不額外增加電源軌的情況下，增強(qiáng)預(yù)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)能力，減小自舉電容面積。在100pF負(fù)載電容下，實(shí)現(xiàn)50MHz開關(guān)頻率，0.9ns最小輸出脈寬，2.41ns和2.56ns開啟和關(guān)斷延時(shí)，柵壓上升/下降時(shí)間分別為323ps和333ps。該技術(shù)由秦堯博士在ISPSD 2024上展示，通訊作者為明鑫教授。

圖 SEQ圖 * ARABIC2具有電荷轉(zhuǎn)移自舉電路的雙NMOSFET輸出緩沖器

論文鏈接：

[1]https://ieeexplore.ieee.org/document/11153742

[2]https://ieeexplore.ieee.org/document/11214293

[3] https://ieeexplore.ieee.org/document/10147581

[4]https://ieeexplore.ieee.org/document/10579657

[5]https://ieeexplore.ieee.org/document/11117468

[6]https://ieeexplore.ieee.org/document/10579560