激光雷達被認為是汽車市場自動駕駛車輛開發和運行的關鍵部件。該技術是光檢測和測距的簡稱，它使用激光計算物體的距離，這些激光的光脈沖會生成這些物體的3D信息。

　　▲圖1、激光雷達與其他感知技術的優劣對比

　　激光雷達將采集到的3D物體信息回傳給汽車，經過信息處理和自動決策，得以實現避開道路上的障礙物、行人、其他車輛，并對汽車的環境產生總體感知。同時，激光雷達技術正不斷被應用在許多其他的案例中，如內部的3D映射，增強現實，無人機，物流，關鍵基礎設施等。傳統車載激光雷達產品，從結構上看，通常分為激光器、掃描部件、感光芯片三個模塊。而在純固態激光雷達領域，主要有Flash和OPA兩條技術路線。比如，Ibeo選擇Flash方案做純固態中長距激光雷達，Quanergy開發了基于光學相控陣(OPA)技術的純固態CMOS激光雷達。

　　▲圖2、激光雷達主要技術優劣對比那么激光雷達常用的芯片類型有哪些?今天我們通過5款激光雷達的拆解去一探究竟。

　　1??Velodyne的Lidar Puck VLP-16Velodyne在2016年發售的激光雷達Lidar Puck VLP-16定價是3,800美元，根據TechInsights的拆解分析，該產品總成本約為247.48美元。接下來我們來看看具體的拆解分析。

　　▲圖3、Velodyne的Lidar Puck VLP-16傳感器具有360度視角，并由兩個英特爾FPGA處理器提供動力。資料來源：TechInsights

　　Velodyne的Lidar Puck VLP-16激光雷達可用于測繪、機器人、安防、智慧城市等領域。這款激光雷達具有16個通道，測量范圍為100米，測距精度可達3厘米，芯片方案摘要如下：

　　主控芯片：英特爾/阿爾特拉的Cyclone III處理器，型號：EP3C16U256C7N;

　　存儲芯片：芯成的32MB SDRAM，型號：IS42S16160G-7BLI;

　　內存芯片：美光的128 MB的內存，型號：PC28F00AP30BF;

　　傳感器：霍爾效應傳感器、光學編碼器、溫度傳感器。

　　下圖是Lidar Puck VLP-16主板正面。

　　▲圖4、主板上的芯片來自英特爾、微芯、亞德諾和德州儀器。資料來源：Tech Insights

　　在主板的正面，有幾顆德州儀器(TI)的模擬芯片，型號：SN74LVC1G04、SN74AUC04、ADC08500、SN65LVD2DBV;還有亞德諾(ADI)的放大器，ADC驅動器和開關多路復用器，型號：AD8515、ADA4950、AD8182、AD8033AKSZ;2顆微芯(Microchip)的穩壓器，型號：MIC525YBM;以及英特爾/阿爾特拉的Cyclone III現場可編程門陣列(FPGA)處理器，型號：EP3C16U256C7N。德州儀器(TI)的溫度傳感器也是Puck激光雷達主板的功能之一。主板的背面裝有英特爾提供的8 MB閃存和英飛凌的雙MOSFET驅動器，以及來自德州儀器、微芯和亞德諾的其他組件。值得一提的是，英特爾在Puck激光雷達的總體設計上取得了Design Win，包括兩顆Cyclone III FPGA和8 MB閃存在內的三顆主要芯片實現Design in。

　　▲圖5、電源板芯片有FPGA，閃存和傳感器等。資料來源：Tech Insights

　　在激光雷達電源板的正面，裝著第二顆英特爾/阿爾特拉的Cyclone III FPGA，型號：EP3C25F324I7N;美光的并行128MB NOR閃存，型號：PC28F00AP30BF;ISSI的32MB SDRAM，型號：IS42S16160G-7BLI;意法半導體的調節器;微芯的ADC和MOSFET驅動器;博通的雙通道光耦，型號：HCPL-0730;埃戈羅的霍爾效應傳感器;普思的網絡變壓器，型號：HX0068ANL。電源板的背面包含亞德諾/凌力爾特的降壓轉換器;德州儀器的以太網收發器和溫度傳感器;以及博通的光學編碼器。

　　2??LeddarTech的LeddarVu8LeddarTech并非是要提供激光雷達，而是要提供固態激光雷達的關鍵元件之一，信號處理集成電路。不過為了推廣其集成電路，LeddarTech推出了一系列固態激光雷達的套件，不帶MEMS鏡的套件價格不到600美元。

　　▲圖6、LeddarVu8的核心器件

　　上圖為LeddarTech固態激光雷達示意圖，激光發射陣列發射多組激光，PIN型光電二極管接收激光反射回來的光波，類似于CCD或CMOS圖像傳感器的原理，最終得到一張3D圖像，圖像中的物體與雷達的精確距離可以通過簡單的計算得知，同時可以根據激光反射強度值，輕松識別出常見物體，如行人、道路、混凝土建筑、路燈、草地。

　　▲圖7、LeddarVu8的光學組件

　　也可以用MEMS鏡偏轉來使激光束對物體進行掃描。

　　▲圖8、LeddarVu8的激光束

　　LeddarVu8激光雷達基本參數如下：

　　▲圖9、LeddarVu8的基本參數

　　首選是發射部分的光學鏡頭。

　　▲圖10、LeddarVu8的光學鏡頭激光發射鏡頭部分采用準直透鏡和衍射透鏡結合的方式。反射式和透射式準直鏡被用在光束傳遞系統中，以維持激光諧振腔和聚焦光學元件之間的光束的準直性。反射式準直鏡一般使用的是銅制全反鏡，而透射式準直鏡則使用硒化鋅透鏡。衍射光柵透鏡基板上光刻上不同厚度的衍射層，通過衍射關系，將不同波長或強度的光成像在不同位置，從而實現分光作用。其作用就像一個光子路由器，將光子們組合成各式各樣的形狀。當激光束穿過激光衍射板的微觀結構時，光子將被激光衍射板上面的各種形狀重新進行定向。類似于旋轉型激光雷達的多線掃描。衍射光柵它的基底是低膨脹系數的玻璃或熔石英﹐上面鍍鋁﹐然后把平行線刻在鋁膜上。衍射光柵的精度要求極高﹐很難制造。一般用在天文儀器上。發射部分的激光二極管是埃賽力達(Excelitas)供應，埃賽力達是全球最大的民用激光二極管公司之一，年收入大約7億美元，總部位于美國馬薩褚塞。激光二極管型號為TPGEW1S09H，屬于225微米系列。

　　▲圖11、激光二極管

　　埃賽力達采用金屬密封內包裝和塑料膠囊外包裝設計，相對于工業用激光器來說價格低了很多，適合大量生產的產品。

　　▲圖12、激光二極管的基本參數

　　TPGEW1S09H采用GaAs外延片，采用InGaAs激發層。采用905納米紅外激光。再下來是接收部分。

　　▲圖13、光學接收部分

　　接收部分主要是接收鏡頭和光電二極管陣列。接收鏡頭貌似就是一般的聚焦玻璃鏡頭。光電二極管陣列是日本濱松的S7509。

　　▲圖14、光電二極管陣列

　　S7509的參數如下：

　　▲圖15、光電二極管的基本參數

　　S7509采用芯片式封裝，可以用回流焊或者SMT貼片，很適合大規模量產。暗電流比較小，信噪比較高。濱松也有線性APD陣列和單光子陣列產品。電路部分分母板、發射板和接收板。

　　▲圖16、電路組成

　　發射板上有一片德州儀器的D類功率放大器，型號：TPA2016D2，該芯片一般用于音頻放大，推動揚聲器這種電流型負載，可能是用來放大電流供電給激光二極管，是個比較奇怪的設計。接收板上有三顆主芯片，包括萊迪思(Lattice)的一款PLD，你也可以叫它FPGA，型號為LCMOX3LF-2100E-6MG121C;愛特梅爾(Atmel)的32位300MHz主控MCU，型號：ATSAMS70N20-CFN;美信(Maxim)的高增益線性前置放大器，型號：MAX3806。

　　▲圖17、FPGA芯片

　　通過上圖可以得知這款FPGA屬于MachXO3系列，采用Flash配置內存，邏輯運算大約為2112個，最快型，121腳csfBGA封裝，商業級產品。

　　▲圖18、FPGA芯片內部框架圖

　　上圖為LCMOX3LF-2100E-6MG121C的內部框架圖，與一般的FPGA最大不同是其內置PLL鎖相環電路。PLL(Phase Locked Loop)：為鎖相回路或鎖相環，用來統一整合時脈訊號，使高頻器件正常工作，如內存的存取資料等。PLL用于振蕩器中的反饋技術。許多電子設備要正常工作，通常需要外部的輸入信號與內部的振蕩信號同步。一般的晶振由于工藝與成本原因，做不到很高的頻率，而在需要高頻應用時，有相應的器件VCO，實現轉成高頻，但并不穩定，故利用鎖相環路就可以實現穩定且高頻的時脈沖訊號。對脈沖型激光雷達來說，高精度時鐘是保證雷達檢測距離精度的關鍵。Leddar Tech目前還沒有推出ASIC，只能先用FPGA代替。接收板上有片Atmel的Flash MCU，型號為ATSAMS70N20-CFN，這是一片內置1024Kbyte Flash和384 Multi Port SRAM的MCU，采用100腳LQFP封裝，內置ARM Cortex M7內核,M7是ARM M系列性能最強一款。下圖為ATSAMS70N20-CFN的內部框架圖。

　　▲圖19、MCU內部框架圖

　　接收板上還有八顆美信的MAX3806，MAX3806是光學距離測量器，內置一個60K或30K的開關阻抗，還有一個衰減器和前置放大器。8顆代表8個接收通道。MAX3806、MAX4311和MAX1446一起配合使用，MAX4311是MUX/AMP，MAX1446是一個10比特全差分模擬輸入ADC，比特率60Mbps，內置精密參考電壓，32腳TQFP封裝，主要用于超聲圖像生成和CCD圖像生成。Flash固態激光雷達可以看做一個圖像傳感器。下圖為應用實例。

　　▲圖20、MAX3806應用實例

　　母板上主要為供電部分，核心芯片是一顆村田的LKDC55KAAA-205，這是一片非隔離式DC/DC轉換器，可以輸出3A電流。主要供應發射部分。經過拆解可以看出PIN型固態激光雷達除鏡頭外都有標準的量產元件可以選擇，門檻很低，成本也不高，未來可以取代傳統的低像素攝像頭，但和攝像頭比，激光雷達可以全天候工作，白天黑夜都能勝任。可以想象，未來會有N多固態激光雷達公司。性能更好的線性APD和單光子激光雷達具備更高的分辨率，有可能進一步擠壓攝像頭的生存空間。

　　3??Ouster OS1-64Ouster OS1-64在2020年1月發布的64線激光雷達，售價高達12,000美元。這款激光雷達拆解是由Electronics360做的，讓我們對這款產品有了大概的了解。這里面主要分好幾塊板子，里面的主要芯片也做了一些梳理，還有一個成本結構。

　　▲圖21、OusterOS-64的拆解和SPEC情況

　　Ouster OS1激光雷達傳感器的主板上的芯片有：

　　AMD/賽靈思的XC7Z020，一款SOC芯片，集成了雙核ARM Cortex-A9處理器和可編程邏輯單元;

　　美信(Maxim)的12位模數轉換器和限幅放大器;

　　美滿(Marvell)的千兆以太網收發器;

　　美光(Micron)的8GB MLC NAND閃存、內存控制器和DDR3L SDRAM內存;

　　德州儀器(TI)的DDR終端穩壓器和可調節的slap-down轉換器;

　　亞德諾(ADI)的射頻功率檢測器;

　　Macronix的16MB串行NOR閃存。

　　▲圖22、Ouster OS1主板

　　內部的轉動子板還用作Ouster OS1內部的控制單元，其中包含賽靈思(Xilinx)的 Artiz-7現場可編程門陣列(FPGA)、微芯(Microchip)的MEMS振蕩器、安世(Nexperia)的雙電源轉換收發器、美信(Maxim)的12位ADC和德州儀器(TI)的電流芯片。

　　▲圖23、Ouster OS1內部轉子板

　　電機板包含內存和其他芯片，用于車輛和lidar的通信。德州儀器(TI)的補償器、電流分流芯片和功率MOSFET;安森美(Onsemi)的MOSFET驅動器;微芯(Microchip)的2KB串行EEPROM存儲器。

　　▲圖24、Ouster OS1電機板

　　從拆解來看，我們看到的主要芯片的成本如下：

　　13.43美元—賽靈思(Xilinx)的Artiz-7 FPGA(數量：1);

　　10.93美元—安裝底座(數量：1);

　　10.46美元—小型有源VCSEL陣列(數量：1);

　　10.13美元—賽靈思(Xilinx)的雙核ARM Cortex-A0和可編程邏輯SoC(數量：1);

　　7.53美元—Pettier模塊(數量：1);

　　7.23美元—SPAD陣列(數量：1);

　　6.51美元—鏡頭#3(數量：2);

　　6.47美元—鏡頭#2(數量：2);

　　6.43美元—美光的DDR3L SDRAM內存 512MB(數量：2);

　　6.29美元—底部外殼(數量：1)。

　　以上部分器件合計總成本104.8美元。Ouster OS1-64的對外售價12000美元。

　　4??速騰聚創RS-Helios速騰聚創RS-Helios激光雷達定價為6,389美元，折合人民幣近4萬元，并不便宜哈。RS-Helios主板上的芯片有：

　　AMD/賽靈思的ZYNQ，雙核Arm Cortex-A0中的主處理器和可編程邏輯芯片;

　　美光的512MB SDRAM內存;

　　德州儀器(TI)的DDR終端穩壓器、LDO穩壓器、半橋柵極驅動器、降壓電源塊和功率MOSFET;

　　博通(Broadcom)的汽車以太網收發器;

　　華邦(Winbond)的串行閃存;

　　美臺(Diodes)的ESD保護;

　　美信(Maxim)的Step-down DC-DC轉換器。

　　這塊主板幾乎都是美國的芯片，圖片的清晰度能看到布局，但是還不清楚標號。

　　▲圖25、RS-Helios的主板

　　RS-Helios數字適配器板上的芯片有：

　　意法半導體(ST)的32位ARM Cortex-M3微控制器，可用作激光雷達的連接和電源管理;

　　安森美(ONsemi)的穩壓器;

　　美臺(Diodes)的功率MOSFET;

　　博通(Broadcom)的以太網收發器。

　　備注：這個電源的連接器，可能還有改進的空間。

　　▲圖26、數字適配器板

　　最后是一塊輔助板上的芯片有：

　　賽靈思(Xilinx)的Spartan-7汽車 FPGA，用于控制激光雷達傳感器內部的傳感器、連接和電源管理;

　　亞德諾(ADI)的VCO;

　　德州儀器(TI)的LDO、差分放大器、step-down轉換器和溫度傳感器;

　　亞德諾/美信(ADI/Maxim)的DC-DC轉換器;

　　美臺(Diodes)的ESD保護;

　　瑞薩/艾迪悌(RENESAS/IDT)的時鐘緩沖器;

　　恩智浦(NXP)的雙USB 2.0開關;

　　威世(VISHAY)的功率MOSFET。

　　▲圖27、輔助板

　　最后一張是整體概覽圖。

　　▲圖28、整體拆解概覽

　　從單純的電路成本分析來看，這里做了一些初步的分解：

　　Manufacturing cost breakdown $47.72;

　　Integrated circuits $158.69 ;

　　Models, discretes and connectors $6.65 ;

　　Substrates $12.53;

　　Component insertion $2.85 ;

　　Card test $28.07 ;

　　Other subsystems $115.11 ;

　　Non-electronic parts $4.52 ;

　　Final assembly and test。

　　以上部分器件合計總成本376.14美元，不包括光學部分的組件。速騰聚創RS-Helios激光雷達定價為6,389美元。

　　5??法雷奧Scala Lidar Gen2

　　下圖能讓我們看到法雷奧Scala Lidar Gen2的主要部件，主要包括主板、功率板、轉換板，外殼，安裝支架還有光學部件。備注：光學部分其實不便宜，這個成本評估沒有充分反映進去

　　▲圖29、法雷奧Scala Lidar Gen2整體拆解概覽

　　這是主要的部件和成本預估，我參考的這家拆解公司對于電子芯片的部分估計比較準，光學和其他部分可能就有點偏頗了。從單純的電路成本分析來看，這里做了一些初步的分解：

　　FPGA芯片，賽靈思，$52.73;

　　轉換板，$19.66;

　　安裝框架，$19.33;

　　存儲芯片，美光，$16.22;

　　光電組件，濱松，$11.92;

　　塑料和熱組件，$11.08;

　　定制鏡片Rx Lens，$9.99;

　　外殼及結構件，$5.96;

　　電源線，$5.92。

　　從兩代產品的差異來看，在電路板設計、可制造性、光電部件和殼體設計中，Valeo Scala Lidar Gen2都有一些改進。

　　▲圖30、 激光雷達主要的部件和成本預估

　　從技術路線來看，這款激光雷達的用途和作用還是屬于打輔助的。也確實是由于激光雷達的技術路線迭代的分化有點嚴重，太多企業使得整體的競爭環境有點惡劣。

　　▲圖31、兩代激光雷達對比

　　激光雷達的功率板包含用于為激光雷達供電的電子元件，包括：

　　亞德諾/美信(ADI/Maxim)的升壓DC-DC控制器;

　　威世/硅尼克斯(VISHAY/SILICONIX)的N溝道功率MOSFET;

　　英飛凌(INFINEON)的單通道智能高邊電源開關;

　　德州儀器(TI)的可調并聯穩壓器。

　　▲圖32、Scalar Lidar Gen2的功率板

　　轉換板包括通信子系統和電子元件，用于與外部ECU通信。電子元器件包括：

　　恩智浦(NXP)的16位MCU;

　　博通(BROADCOM)的汽車以太網收發器和LIN收發器。

　　▲圖33、Scalar Lidar Gen2的轉換板

　　激光雷達的主板上的芯片有：

　　AMD/賽靈思的Zynq UltraScale+片上系統;

　　美光(MICRON)的2GB多芯片SDRAM內存模塊;

　　德州儀器(TI)的10位四通道DAC 1.25電壓基準和升壓DC-DC轉換器;

　　亞德諾/美信(ADI/Maxim)的電源管理和6A降壓DC-DC轉換器;

　　恩智浦(NXP)的車規級32位MCU;

　　英飛凌/賽普拉斯(INFINEON/CYPRESS)的32MB NOR閃存;

　　博通(BROADCOM)的汽車以太網收發器。

　　▲圖34、Scalar Lidar Gen2的主板法雷奧2020年發布的這款Scalar Lidar Gen2，905nm EEL搭配飛行脈沖時間及硅基傳感器，有效降低了組件成本，售價900美元。電子元器件主要部件可評估的成本約170美金。

　　▲圖35、法雷奧激光雷達的總結

　　從以上拆解來看，我們看到激光雷達里常見的芯片品牌有英特爾/阿爾特拉、AMD/賽靈思、萊迪思、恩智浦、微芯、微芯/愛特梅爾、美光、芯成、Macronix、華邦、亞德諾、亞德諾/美信、亞德諾/凌力爾特、德州儀器、安森美、英飛凌、博通、美滿、意法半導體、美臺、威世、瑞薩/艾迪悌、濱松、埃賽力達、村田、安世等。

　　▲圖36、激光雷達產業鏈激光雷達的工程設計，無非是激光源、光學部件、光電探測器、信號處理芯片的選型，再行研發設計成整機產品，核心技術體現在對光電信號的有效處理，技術難度不小。國產芯片的市占率還很低，差距巨大。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺，過去數年已積累了豐富的優勢貨源。我們聚焦服務元器件長尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購，為電子產業供需略盡綿薄之力。

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