激光雷达被认为是汽车市场自动驾驶车辆开发和运行的关键部件。该技术是光检测和测距的简称，它使用激光计算物体的距离，这些激光的光脉冲会生成这些物体的3D信息。

　　▲图1、激光雷达与其他感知技术的优劣对比

　　激光雷达将采集到的3D物体信息回传给汽车，经过信息处理和自动决策，得以实现避开道路上的障碍物、行人、其他车辆，并对汽车的环境产生总体感知。同时，激光雷达技术正不断被应用在许多其他的案例中，如内部的3D映射，增强现实，无人机，物流，关键基础设施等。传统车载激光雷达产品，从结构上看，通常分为激光器、扫描部件、感光芯片三个模块。而在纯固态激光雷达领域，主要有Flash和OPA两条技术路线。比如，Ibeo选择Flash方案做纯固态中长距激光雷达，Quanergy开发了基于光学相控阵(OPA)技术的纯固态CMOS激光雷达。

　　▲图2、激光雷达主要技术优劣对比那么激光雷达常用的芯片类型有哪些?今天我们通过5款激光雷达的拆解去一探究竟。

　　1️⃣Velodyne的Lidar Puck VLP-16Velodyne在2016年发售的激光雷达Lidar Puck VLP-16定价是3,800美元，根据TechInsights的拆解分析，该产品总成本约为247.48美元。接下来我们来看看具体的拆解分析。

　　▲图3、Velodyne的Lidar Puck VLP-16传感器具有360度视角，并由两个英特尔FPGA处理器提供动力。资料来源：TechInsights

　　Velodyne的Lidar Puck VLP-16激光雷达可用于测绘、机器人、安防、智慧城市等领域。这款激光雷达具有16个通道，测量范围为100米，测距精度可达3厘米，芯片方案摘要如下：

　　主控芯片：英特尔/阿尔特拉的Cyclone III处理器，型号：EP3C16U256C7N;

　　存储芯片：芯成的32MB SDRAM，型号：IS42S16160G-7BLI;

　　内存芯片：美光的128 MB的内存，型号：PC28F00AP30BF;

　　传感器：霍尔效应传感器、光学编码器、温度传感器。

　　下图是Lidar Puck VLP-16主板正面。

　　▲图4、主板上的芯片来自英特尔、微芯、亚德诺和德州仪器。资料来源：Tech Insights

　　在主板的正面，有几颗德州仪器(TI)的模拟芯片，型号：SN74LVC1G04、SN74AUC04、ADC08500、SN65LVD2DBV;还有亚德诺(ADI)的放大器，ADC驱动器和开关多路复用器，型号：AD8515、ADA4950、AD8182、AD8033AKSZ;2颗微芯(Microchip)的稳压器，型号：MIC525YBM;以及英特尔/阿尔特拉的Cyclone III现场可编程门阵列(FPGA)处理器，型号：EP3C16U256C7N。德州仪器(TI)的温度传感器也是Puck激光雷达主板的功能之一。主板的背面装有英特尔提供的8 MB闪存和英飞凌的双MOSFET驱动器，以及来自德州仪器、微芯和亚德诺的其他组件。值得一提的是，英特尔在Puck激光雷达的总体设计上取得了Design Win，包括两颗Cyclone III FPGA和8 MB闪存在内的三颗主要芯片实现Design in。

　　▲图5、电源板芯片有FPGA，闪存和传感器等。资料来源：Tech Insights

　　在激光雷达电源板的正面，装着第二颗英特尔/阿尔特拉的Cyclone III FPGA，型号：EP3C25F324I7N;美光的并行128MB NOR闪存，型号：PC28F00AP30BF;ISSI的32MB SDRAM，型号：IS42S16160G-7BLI;意法半导体的调节器;微芯的ADC和MOSFET驱动器;博通的双通道光耦，型号：HCPL-0730;埃戈罗的霍尔效应传感器;普思的网络变压器，型号：HX0068ANL。电源板的背面包含亚德诺/凌力尔特的降压转换器;德州仪器的以太网收发器和温度传感器;以及博通的光学编码器。

　　2️⃣LeddarTech的LeddarVu8LeddarTech并非是要提供激光雷达，而是要提供固态激光雷达的关键元件之一，信号处理集成电路。不过为了推广其集成电路，LeddarTech推出了一系列固态激光雷达的套件，不带MEMS镜的套件价格不到600美元。

　　▲图6、LeddarVu8的核心器件

　　上图为LeddarTech固态激光雷达示意图，激光发射阵列发射多组激光，PIN型光电二极管接收激光反射回来的光波，类似于CCD或CMOS图像传感器的原理，最终得到一张3D图像，图像中的物体与雷达的精确距离可以通过简单的计算得知，同时可以根据激光反射强度值，轻松识别出常见物体，如行人、道路、混凝土建筑、路灯、草地。

　　▲图7、LeddarVu8的光学组件

　　也可以用MEMS镜偏转来使激光束对物体进行扫描。

　　▲图8、LeddarVu8的激光束

　　LeddarVu8激光雷达基本参数如下：

　　▲图9、LeddarVu8的基本参数

　　首选是发射部分的光学镜头。

　　▲图10、LeddarVu8的光学镜头激光发射镜头部分采用准直透镜和衍射透镜结合的方式。反射式和透射式准直镜被用在光束传递系统中，以维持激光谐振腔和聚焦光学元件之间的光束的准直性。反射式准直镜一般使用的是铜制全反镜，而透射式准直镜则使用硒化锌透镜。衍射光栅透镜基板上光刻上不同厚度的衍射层，通过衍射关系，将不同波长或强度的光成像在不同位置，从而实现分光作用。其作用就像一个光子路由器，将光子们组合成各式各样的形状。当激光束穿过激光衍射板的微观结构时，光子将被激光衍射板上面的各种形状重新进行定向。类似于旋转型激光雷达的多线扫描。衍射光栅它的基底是低膨胀系数的玻璃或熔石英﹐上面镀铝﹐然后把平行线刻在铝膜上。衍射光栅的精度要求极高﹐很难制造。一般用在天文仪器上。发射部分的激光二极管是埃赛力达(Excelitas)供应，埃赛力达是全球最大的民用激光二极管公司之一，年收入大约7亿美元，总部位于美国马萨褚塞。激光二极管型号为TPGEW1S09H，属于225微米系列。

　　▲图11、激光二极管

　　埃赛力达采用金属密封内包装和塑料胶囊外包装设计，相对于工业用激光器来说价格低了很多，适合大量生产的产品。

　　▲图12、激光二极管的基本参数

　　TPGEW1S09H采用GaAs外延片，采用InGaAs激发层。采用905纳米红外激光。再下来是接收部分。

　　▲图13、光学接收部分

　　接收部分主要是接收镜头和光电二极管阵列。接收镜头貌似就是一般的聚焦玻璃镜头。光电二极管阵列是日本滨松的S7509。

　　▲图14、光电二极管阵列

　　S7509的参数如下：

　　▲图15、光电二极管的基本参数

　　S7509采用芯片式封装，可以用回流焊或者SMT贴片，很适合大规模量产。暗电流比较小，信噪比较高。滨松也有线性APD阵列和单光子阵列产品。电路部分分母板、发射板和接收板。

　　▲图16、电路组成

　　发射板上有一片德州仪器的D类功率放大器，型号：TPA2016D2，该芯片一般用于音频放大，推动扬声器这种电流型负载，可能是用来放大电流供电给激光二极管，是个比较奇怪的设计。接收板上有三颗主芯片，包括莱迪思(Lattice)的一款PLD，你也可以叫它FPGA，型号为LCMOX3LF-2100E-6MG121C;爱特梅尔(Atmel)的32位300MHz主控MCU，型号：ATSAMS70N20-CFN;美信(Maxim)的高增益线性前置放大器，型号：MAX3806。

　　▲图17、FPGA芯片

　　通过上图可以得知这款FPGA属于MachXO3系列，采用Flash配置内存，逻辑运算大约为2112个，最快型，121脚csfBGA封装，商业级产品。

　　▲图18、FPGA芯片内部框架图

　　上图为LCMOX3LF-2100E-6MG121C的内部框架图，与一般的FPGA最大不同是其内置PLL锁相环电路。PLL(Phase Locked Loop)：为锁相回路或锁相环，用来统一整合时脉讯号，使高频器件正常工作，如内存的存取资料等。PLL用于振荡器中的反馈技术。许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步。一般的晶振由于工艺与成本原因，做不到很高的频率，而在需要高频应用时，有相应的器件VCO，实现转成高频，但并不稳定，故利用锁相环路就可以实现稳定且高频的时脉冲讯号。对脉冲型激光雷达来说，高精度时钟是保证雷达检测距离精度的关键。Leddar Tech目前还没有推出ASIC，只能先用FPGA代替。接收板上有片Atmel的Flash MCU，型号为ATSAMS70N20-CFN，这是一片内置1024Kbyte Flash和384 Multi Port SRAM的MCU，采用100脚LQFP封装，内置ARM Cortex M7内核,M7是ARM M系列性能最强一款。下图为ATSAMS70N20-CFN的内部框架图。

　　▲图19、MCU内部框架图

　　接收板上还有八颗美信的MAX3806，MAX3806是光学距离测量器，内置一个60K或30K的开关阻抗，还有一个衰减器和前置放大器。8颗代表8个接收通道。MAX3806、MAX4311和MAX1446一起配合使用，MAX4311是MUX/AMP，MAX1446是一个10比特全差分模拟输入ADC，比特率60Mbps，内置精密参考电压，32脚TQFP封装，主要用于超声图像生成和CCD图像生成。Flash固态激光雷达可以看做一个图像传感器。下图为应用实例。

　　▲图20、MAX3806应用实例

　　母板上主要为供电部分，核心芯片是一颗村田的LKDC55KAAA-205，这是一片非隔离式DC/DC转换器，可以输出3A电流。主要供应发射部分。经过拆解可以看出PIN型固态激光雷达除镜头外都有标准的量产元件可以选择，门槛很低，成本也不高，未来可以取代传统的低像素摄像头，但和摄像头比，激光雷达可以全天候工作，白天黑夜都能胜任。可以想象，未来会有N多固态激光雷达公司。性能更好的线性APD和单光子激光雷达具备更高的分辨率，有可能进一步挤压摄像头的生存空间。

　　3️⃣Ouster OS1-64Ouster OS1-64在2020年1月发布的64线激光雷达，售价高达12,000美元。这款激光雷达拆解是由Electronics360做的，让我们对这款产品有了大概的了解。这里面主要分好几块板子，里面的主要芯片也做了一些梳理，还有一个成本结构。

　　▲图21、OusterOS-64的拆解和SPEC情况

　　Ouster OS1激光雷达传感器的主板上的芯片有：

　　AMD/赛灵思的XC7Z020，一款SOC芯片，集成了双核ARM Cortex-A9处理器和可编程逻辑单元;

　　美信(Maxim)的12位模数转换器和限幅放大器;

　　美满(Marvell)的千兆以太网收发器;

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

　　德州仪器(TI)的DDR终端稳压器和可调节的slap-down转换器;

　　亚德诺(ADI)的射频功率检测器;

　　Macronix的16MB串行NOR闪存。

　　▲图22、Ouster OS1主板

　　内部的转动子板还用作Ouster OS1内部的控制单元，其中包含赛灵思(Xilinx)的 Artiz-7现场可编程门阵列(FPGA)、微芯(Microchip)的MEMS振荡器、安世(Nexperia)的双电源转换收发器、美信(Maxim)的12位ADC和德州仪器(TI)的电流芯片。

　　▲图23、Ouster OS1内部转子板

　　电机板包含内存和其他芯片，用于车辆和lidar的通信。德州仪器(TI)的补偿器、电流分流芯片和功率MOSFET;安森美(Onsemi)的MOSFET驱动器;微芯(Microchip)的2KB串行EEPROM存储器。

　　▲图24、Ouster OS1电机板

　　从拆解来看，我们看到的主要芯片的成本如下：

　　13.43美元—赛灵思(Xilinx)的Artiz-7 FPGA(数量：1);

　　10.93美元—安装底座(数量：1);

　　10.46美元—小型有源VCSEL阵列(数量：1);

　　10.13美元—赛灵思(Xilinx)的双核ARM Cortex-A0和可编程逻辑SoC(数量：1);

　　7.53美元—Pettier模块(数量：1);

　　7.23美元—SPAD阵列(数量：1);

　　6.51美元—镜头#3(数量：2);

　　6.47美元—镜头#2(数量：2);

　　6.43美元—美光的DDR3L SDRAM内存 512MB(数量：2);

　　6.29美元—底部外壳(数量：1)。

　　以上部分器件合计总成本104.8美元。Ouster OS1-64的对外售价12000美元。

　　4️⃣速腾聚创RS-Helios速腾聚创RS-Helios激光雷达定价为6,389美元，折合人民币近4万元，并不便宜哈。RS-Helios主板上的芯片有：

　　AMD/赛灵思的ZYNQ，双核Arm Cortex-A0中的主处理器和可编程逻辑芯片;

　　美光的512MB SDRAM内存;

　　德州仪器(TI)的DDR终端稳压器、LDO稳压器、半桥栅极驱动器、降压电源块和功率MOSFET;

　　博通(Broadcom)的汽车以太网收发器;

　　华邦(Winbond)的串行闪存;

　　美台(Diodes)的ESD保护;

　　美信(Maxim)的Step-down DC-DC转换器。

　　这块主板几乎都是美国的芯片，图片的清晰度能看到布局，但是还不清楚标号。

　　▲图25、RS-Helios的主板

　　RS-Helios数字适配器板上的芯片有：

　　意法半导体(ST)的32位ARM Cortex-M3微控制器，可用作激光雷达的连接和电源管理;

　　安森美(ONsemi)的稳压器;

　　美台(Diodes)的功率MOSFET;

　　博通(Broadcom)的以太网收发器。

　　备注：这个电源的连接器，可能还有改进的空间。

　　▲图26、数字适配器板

　　最后是一块辅助板上的芯片有：

　　赛灵思(Xilinx)的Spartan-7汽车 FPGA，用于控制激光雷达传感器内部的传感器、连接和电源管理;

　　亚德诺(ADI)的VCO;

　　德州仪器(TI)的LDO、差分放大器、step-down转换器和温度传感器;

　　亚德诺/美信(ADI/Maxim)的DC-DC转换器;

　　美台(Diodes)的ESD保护;

　　瑞萨/艾迪悌(RENESAS/IDT)的时钟缓冲器;

　　恩智浦(NXP)的双USB 2.0开关;

　　威世(VISHAY)的功率MOSFET。

　　▲图27、辅助板

　　最后一张是整体概览图。

　　▲图28、整体拆解概览

　　从单纯的电路成本分析来看，这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。

　　以上部分器件合计总成本376.14美元，不包括光学部分的组件。速腾聚创RS-Helios激光雷达定价为6,389美元。

　　5️⃣法雷奥Scala Lidar Gen2

　　下图能让我们看到法雷奥Scala Lidar Gen2的主要部件，主要包括主板、功率板、转换板，外壳，安装支架还有光学部件。备注：光学部分其实不便宜，这个成本评估没有充分反映进去

　　▲图29、法雷奥Scala Lidar Gen2整体拆解概览

　　这是主要的部件和成本预估，我参考的这家拆解公司对于电子芯片的部分估计比较准，光学和其他部分可能就有点偏颇了。从单纯的电路成本分析来看，这里做了一些初步的分解：

　　FPGA芯片，赛灵思，$52.73;

　　转换板，$19.66;

　　安装框架，$19.33;

　　存储芯片，美光，$16.22;

　　光电组件，滨松，$11.92;

　　塑料和热组件，$11.08;

　　定制镜片Rx Lens，$9.99;

　　外壳及结构件，$5.96;

　　电源线，$5.92。

　　从两代产品的差异来看，在电路板设计、可制造性、光电部件和壳体设计中，Valeo Scala Lidar Gen2都有一些改进。

　　▲图30、 激光雷达主要的部件和成本预估

　　从技术路线来看，这款激光雷达的用途和作用还是属于打辅助的。也确实是由于激光雷达的技术路线迭代的分化有点严重，太多企业使得整体的竞争环境有点恶劣。

　　▲图31、两代激光雷达对比

　　激光雷达的功率板包含用于为激光雷达供电的电子元件，包括：

　　亚德诺/美信(ADI/Maxim)的升压DC-DC控制器;

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

　　英飞凌(INFINEON)的单通道智能高边电源开关;

　　德州仪器(TI)的可调并联稳压器。

　　▲图32、Scalar Lidar Gen2的功率板

　　转换板包括通信子系统和电子元件，用于与外部ECU通信。电子元器件包括：

　　恩智浦(NXP)的16位MCU;

　　博通(BROADCOM)的汽车以太网收发器和LIN收发器。

　　▲图33、Scalar Lidar Gen2的转换板

　　激光雷达的主板上的芯片有：

　　AMD/赛灵思的Zynq UltraScale+片上系统;

　　美光(MICRON)的2GB多芯片SDRAM内存模块;

　　德州仪器(TI)的10位四通道DAC 1.25电压基准和升压DC-DC转换器;

　　亚德诺/美信(ADI/Maxim)的电源管理和6A降压DC-DC转换器;

　　恩智浦(NXP)的车规级32位MCU;

　　英飞凌/赛普拉斯(INFINEON/CYPRESS)的32MB NOR闪存;

　　博通(BROADCOM)的汽车以太网收发器。

　　▲图34、Scalar Lidar Gen2的主板法雷奥2020年发布的这款Scalar Lidar Gen2，905nm EEL搭配飞行脉冲时间及硅基传感器，有效降低了组件成本，售价900美元。电子元器件主要部件可评估的成本约170美金。

　　▲图35、法雷奥激光雷达的总结

　　从以上拆解来看，我们看到激光雷达里常见的芯片品牌有英特尔/阿尔特拉、AMD/赛灵思、莱迪思、恩智浦、微芯、微芯/爱特梅尔、美光、芯成、Macronix、华邦、亚德诺、亚德诺/美信、亚德诺/凌力尔特、德州仪器、安森美、英飞凌、博通、美满、意法半导体、美台、威世、瑞萨/艾迪悌、滨松、埃赛力达、村田、安世等。

　　▲图36、激光雷达产业链激光雷达的工程设计，无非是激光源、光学部件、光电探测器、信号处理芯片的选型，再行研发设计成整机产品，核心技术体现在对光电信号的有效处理，技术难度不小。国产芯片的市占率还很低，差距巨大。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平台，过去数年已积累了丰富的优势货源。我们聚焦服务元器件长尾客户群，让每一家芯片原厂或分销商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，帮助工程师的方案选型、试样及采购，为电子产业供需略尽绵薄之力。

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