60 多年來(lái)，組件集成一直是半導(dǎo)體行業(yè)的驅(qū)動(dòng)力。它就在行業(yè)術(shù)語(yǔ)集成電路或IC中。年復(fù)一年，勤奮的電路設(shè)計(jì)師、工程師和產(chǎn)品營(yíng)銷人員都在尋找機(jī)會(huì)，將芯片提升到更高的集成水平，以降低成本、縮小設(shè)備和電路板尺寸，并最大限度地減少材料清單 (BOM)。

為什么不？系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將更多功能集成到 IC 中有許多充分的理由和優(yōu)勢(shì)。首先是方便。焊接一個(gè)芯片總是比焊接兩個(gè)更好。接下來(lái)是互操作性。當(dāng)然，集成組件是為協(xié)同工作而設(shè)計(jì)的。無(wú)需擔(dān)心匹配數(shù)字接口、阻抗或混亂的膠合邏輯。最后，成本是組件集成的一大誘因。降低成本一直是現(xiàn)在在經(jīng)濟(jì)型計(jì)算系統(tǒng)和具有不斷增加的功能的低成本微控制器 (MCU) 中實(shí)現(xiàn)的集成的承諾。

當(dāng)功能在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)方面是互補(bǔ)的時(shí)，集成就很有意義。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。下一步是將這些模擬組件與 MCU 集成。它們一起完成了具有集成所有優(yōu)勢(shì)的系統(tǒng)要求。

然而，并非所有的集成都會(huì)帶來(lái)優(yōu)勢(shì)而沒有明顯的劣勢(shì)或權(quán)衡。在某些情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的更好選擇可能是繼續(xù)使用分立元件。通常，是否集成的決定因素是噪聲對(duì)各種組件的影響。與嘈雜的開關(guān)元件集成的敏感模擬測(cè)量很少能改進(jìn)系統(tǒng)。

集成受到質(zhì)疑的另一個(gè)例子是系統(tǒng)的某些部分對(duì)空間至關(guān)重要。它通常與系統(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)，它通常優(yōu)先于通過(guò)集成可能獲得的任何優(yōu)勢(shì)。最后，集成的成本效益有時(shí)會(huì)逆轉(zhuǎn)。這種情況出現(xiàn)在功率 MOSFET 中，其中分立元件最終比等效的集成器件更便宜，因?yàn)樗鼈儾捎昧藢ｉT的晶圓廠工藝和封裝。

案例研究：隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器是體現(xiàn)分立元件優(yōu)于集成元件優(yōu)勢(shì)的常見元件。在電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中切換高壓軌時(shí)使用隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。

除了與有效驅(qū)動(dòng)開關(guān)門相關(guān)的要求（快速電流源、低傳播延遲和高瞬態(tài)抗擾度）外，還有與隔離相關(guān)的不同要求，例如封裝間距。

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器不適合集成到配對(duì)系統(tǒng)控制器中的原因很明顯。例如，場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 柵極的快速、高壓開關(guān)本質(zhì)上是有噪聲的。在典型的開關(guān)周期中，高邊開關(guān)上的柵極電壓穿過(guò)下軌和上軌之間的整個(gè)范圍。在開關(guān)周期的某些區(qū)域，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)器輸出上產(chǎn)生巨大的瞬變。專用柵極驅(qū)動(dòng)器旨在抑制這些瞬變，但將這種噪聲引入封裝會(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)，其功能將徒勞無(wú)功。

圖 1：分立式隔離柵極驅(qū)動(dòng)器通過(guò)多種方式優(yōu)化系統(tǒng)： A) 可以減少控制器封裝，并且不會(huì)浪費(fèi)封裝沿線的空間；B) 柵極驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)優(yōu)化以抑制瞬態(tài)噪聲并防止控制器經(jīng)歷它；C) 通過(guò)將驅(qū)動(dòng)器放置在 FET 附近，可以最大限度地減少寄生感應(yīng)和電容。

這些組件不能選擇集成的另一個(gè)原因是柵極驅(qū)動(dòng)器需要靠近它負(fù)責(zé)的開關(guān)（圖 1）。所使用的開關(guān)及其對(duì)散熱器質(zhì)量和氣流的相關(guān)要求通常決定了開關(guān)子系統(tǒng)的大小。對(duì)于開關(guān)半橋，尤其是全橋，集成組件使柵極驅(qū)動(dòng)器無(wú)法靠近所有正在使用的 FET（至少兩個(gè)，但通常是四個(gè)或更多）設(shè)備。

在設(shè)計(jì)半橋或全橋電路時(shí)，元件布局和 PCB 布局對(duì)性能至關(guān)重要。為了獲得最佳性能，必須將電流返回路徑和寄生元件（雜散電容和電感）的影響降至最低。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。

爬電要求最后，與電流隔離相關(guān)的獨(dú)特爬電要求阻礙了該組件的集成（圖 2）。爬電距離定義為 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，爬電距離會(huì)變大。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的典型爬電距離約為 4 至 8 mm，甚至更大。

圖 2：集成隔離驅(qū)動(dòng)器的問(wèn)題包括 A) 由于爬電距離要求而浪費(fèi)封裝空間；B) 封裝內(nèi)對(duì)敏感數(shù)字信號(hào)的高壓瞬態(tài)噪聲耦合；C) 布局要求增加了到 FET 的距離和惡化的寄生效應(yīng)。

在集成隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的理論案例中，這種爬電距離要求會(huì)給其余組件帶來(lái)很大負(fù)擔(dān)。與系統(tǒng)控制器集成需要增大封裝尺寸，并且沒有引腳或裸露金屬的大面積區(qū)域可能會(huì)減少爬電距離。

這可能會(huì)顯著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，每個(gè)引腳都分配有功能。增加封裝尺寸和適應(yīng)隔離柵的要求必然會(huì)增加系統(tǒng)成本。

Silicon Labs 提供多個(gè)高性能分立隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器系列。有些包括可放置在非常靠近電源開關(guān)的單柵極驅(qū)動(dòng)器選項(xiàng)。其他系列具有高端/低端對(duì)，在抗噪和成本優(yōu)化方面提供與分立驅(qū)動(dòng)器相同的優(yōu)勢(shì)。但是，必須注意這些器件的布局，以保持對(duì)稱的寄生環(huán)境。

例如，Silicon Labs 的 Si827x 驅(qū)動(dòng)器系列提供了非常高水平的瞬態(tài)抗擾度。即使存在 200kV/μs 的共模瞬變，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 8mm 爬電距離的封裝中提供高達(dá) 5kV 的隔離額定值。

集成與分立在許多情況下，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。

圖 3：分立式隔離柵極驅(qū)動(dòng)器為高效開關(guān)提供基本功能，包括用于異步控制的欠壓鎖定 (UVLO) 和使能引腳 (EN)。雙隔離柵極驅(qū)動(dòng)器增加了更多功能，例如重疊保護(hù)，但在布局時(shí)需要更加小心。

但是，在某些應(yīng)用案例中，集成模型存在不足。用于電源轉(zhuǎn)換器的開關(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)控制器功能，并允許將驅(qū)動(dòng)器放置在靠近開關(guān)的位置以減少寄生效應(yīng)。

由于獨(dú)特的封裝尺寸要求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器作為分立元件可以降低整體系統(tǒng)成本。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)封裝來(lái)解決。

審核編輯：郭婷