離散隔離柵極驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)介和優(yōu)勢(shì)及使用說(shuō)明

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于封裝尺寸要求進(jìn)而使用隔離柵極驅(qū)動(dòng)器作為分立元件可以降低整體系統(tǒng)成本。本文將介紹隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，離散柵極驅(qū)動(dòng)器，組件集成和各種解決方案。我們還將討論集成的好處和權(quán)衡問(wèn)題，以及它并非總是最好解決方案的原因。

Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）提供多種高性能分立隔離柵極驅(qū)動(dòng)器系列解決方案，其中包括一些可以放置在非?？拷?a target="_blank">電源開(kāi)關(guān)的單柵極驅(qū)動(dòng)器的選項(xiàng)，其他還有具有高側(cè)/低側(cè)配置的系列產(chǎn)品。這在一定程度下提供了離散驅(qū)動(dòng)器在抗噪聲和成本優(yōu)化方面的相同優(yōu)勢(shì)，但是，必須注意到的是這些器件的布局是保持對(duì)稱的寄生環(huán)境。請(qǐng)Cheryl刊登于微博

整合并不總是最佳解決方案

60多年來(lái)，元件集成一直是半導(dǎo)體行業(yè)的推動(dòng)力，行業(yè)稱為“集成電路”。年復(fù)一年，辛勤勞動(dòng)的電路設(shè)計(jì)師，工程師和產(chǎn)品營(yíng)銷人員尋找機(jī)會(huì)提高芯片的集成化級(jí)別，以降低成本，縮小器件和電路板尺寸，并最大限度地減少產(chǎn)品物料（BOM）成本。

為什么不進(jìn)行集成化呢？系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將更多功能集成到IC器件中有很多好的理由和優(yōu)點(diǎn)。首先是方便，因?yàn)楹附右粋€(gè)器件總是比焊接兩個(gè)器件好。接下來(lái)是互操作性，集成元件可以協(xié)同工作，工程師無(wú)需擔(dān)心匹配數(shù)字接口，阻抗或雜亂的膠連邏輯。最后，成本是組件集成的一大動(dòng)力。在經(jīng)濟(jì)計(jì)算系統(tǒng)和功能不斷增加的低成本微控制器（MCU）中，降低成本是實(shí)現(xiàn)集成化的保證。

當(dāng)函數(shù)在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)時(shí)是互補(bǔ)的，那么集成是富有意義的。高性能運(yùn)算放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的集成就是一個(gè)很好的例子。下一步需要進(jìn)行的操作就是將這些模擬組件與MCU集成。在這樣的情況下，它們共同實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)要求，具有集成的所有優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在，無(wú)線組件的進(jìn)一步集成是半導(dǎo)體行業(yè)取得進(jìn)步的下一個(gè)方向點(diǎn)。

并非所有集成都會(huì)產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)而沒(méi)有明顯的缺點(diǎn)或權(quán)衡問(wèn)題。在某些情況下，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，繼續(xù)使用分立元件或?yàn)楦眠x擇。通常，決定是否需要集成的關(guān)鍵因素需要考慮噪聲對(duì)各種組件的影響。這其中與噪聲開(kāi)關(guān)組件集成的靈敏模擬測(cè)量很少能夠改善系統(tǒng)。同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)的某些部分對(duì)空間至關(guān)重要，那么集成也會(huì)受到質(zhì)疑。這通常與系統(tǒng)中的寄生電容，環(huán)路和電感有關(guān)。

當(dāng)必須最小化一個(gè)參數(shù)時(shí)，分立通常優(yōu)先于集成可能獲得的任何優(yōu)點(diǎn)。最后，整合的成本效益有時(shí)會(huì)逆轉(zhuǎn)。這在功率MOSFET中可以看到這種情況：分立元件具有專門(mén)的制造工藝和封裝，最終比同等的集成器件便宜。

隔離柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器為通用元件，它可體現(xiàn)分立式集成元件的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)切換高壓軌時(shí)，隔離柵極驅(qū)動(dòng)器將被使用。在這一過(guò)程中，除了與開(kāi)關(guān)門(mén)的有效驅(qū)動(dòng)相關(guān)的要求 - 快速電流源，低傳播延遲和高瞬態(tài)抗擾度 - 還存在與隔離相關(guān)如封裝間隔等的不同要求。

當(dāng)然也有明顯的理由說(shuō)明隔離柵極驅(qū)動(dòng)器不適合集成到其配對(duì)系統(tǒng)控制器中。例如，場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）柵極的快速高壓開(kāi)關(guān)本質(zhì)上是有噪聲的。在一般開(kāi)關(guān)周期期間，高側(cè)開(kāi)關(guān)上的柵極電壓在下導(dǎo)軌和上導(dǎo)軌之間的整個(gè)范圍內(nèi)行進(jìn)。在開(kāi)關(guān)周期的某些區(qū)域中，它可以在幾十納秒或更短的時(shí)間內(nèi)改變數(shù)百伏或更多。這種波動(dòng)會(huì)在柵極驅(qū)動(dòng)器輸出上發(fā)生巨大瞬變。而專用柵極驅(qū)動(dòng)器旨在抑制這些瞬變，但此類操作將這種噪聲引入封裝可能會(huì)影響芯片上的所有電路。如果這些電路是敏感的模擬電路或時(shí)間關(guān)鍵的數(shù)字電路，它們將不堪重負(fù)，功能也毫無(wú)結(jié)果。

對(duì)這些元件來(lái)說(shuō)，不選擇集成的另一原因是：柵極驅(qū)動(dòng)器需要靠近它負(fù)責(zé)的開(kāi)關(guān)。所使用的開(kāi)關(guān)及其對(duì)散熱器質(zhì)量和氣流的相關(guān)要求通常會(huì)設(shè)定開(kāi)關(guān)子系統(tǒng)的尺寸。對(duì)于半橋而言，特別是全橋的開(kāi)關(guān)，集成元件使得無(wú)法將柵極驅(qū)動(dòng)器定位在所使用的所有FET附近 - 至少兩個(gè)但通常是四個(gè)或多個(gè)器件。在設(shè)計(jì)半橋或全橋電路時(shí)，元件布局和印刷電路板（PCB）布局對(duì)性能至關(guān)重要。

為了獲得最佳性能，必須最小化電流返回路徑和最大限度降低寄生元件效應(yīng)- 雜散電容和電感。寄生電容和電感是不可避免的，但保持驅(qū)動(dòng)器靠近FET可以最大限度地減少不利影響。

最后，與電流隔離相關(guān)的獨(dú)特爬電阻止了該元件的集成。爬電距離為IC外部暴露金屬之間沿封裝的間距。通常，隨著母線電壓的增加，爬電距離必須加大。因此隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的典型爬電距離約為4 mm至8 mm，甚至更大。

在理論情況下，集成隔離柵極驅(qū)動(dòng)器所要求的爬電會(huì)給其余元件帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)。與系統(tǒng)控制器集成需要更大的封裝尺寸，并且大面積沒(méi)有引腳或暴露的金屬，這可能會(huì)減少爬電距離。這可能會(huì)減少控制器可用的外圍設(shè)備——這些控制器通常在設(shè)備的四個(gè)側(cè)面都有引腳，并為每個(gè)控制器分配功能。結(jié)果是增加封裝尺寸并滿足隔離柵的要求必然會(huì)增加系統(tǒng)成本。

Silicon Labs離散隔離柵極驅(qū)動(dòng)器

我們提供多種高性能分立隔離柵極驅(qū)動(dòng)器系列，Si827x驅(qū)動(dòng)器系列可提供非常高水平的瞬態(tài)噪聲抗擾度。即使存在200 kV / commons共模瞬變，該器件也能按預(yù)期運(yùn)行。其他柵極驅(qū)動(dòng)器系列，例如Si8239x，在具有8 mm爬電距離的封裝中提供高達(dá)5 kV的隔離額定值。在滿足實(shí)現(xiàn)這些規(guī)格和距離條件的同時(shí)，保持解決方案的成本效益，這不是不可能，但是較為困難。

在許多情況下，將組件集成到功能更強(qiáng)大的單個(gè)設(shè)備中是有意義的。幾十年來(lái)，模擬和混合信號(hào)功能，存儲(chǔ)器和高性能數(shù)字邏輯的集成一直是半導(dǎo)體行業(yè)的福音。但是，在某些應(yīng)用案例中，集成模型不足。用于功率轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)電路的柵極驅(qū)動(dòng)器必須保持分立元件，以防止噪聲干擾系統(tǒng)控制器的功能，并允許驅(qū)動(dòng)器靠近開(kāi)關(guān)放置，以減少寄生效應(yīng)。

因?yàn)楦綦x柵極驅(qū)動(dòng)器具有獨(dú)特的封裝尺寸要求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用作為分立元件可以降低整體系統(tǒng)成本。因此嘗試集成這些組件會(huì)產(chǎn)生明顯的負(fù)擔(dān)，只能通過(guò)昂貴的非標(biāo)準(zhǔn)包裝來(lái)解決。