60 多年來，組件集成一直是半導體行業(yè)的驅動力。它就在行業(yè)術語集成電路或IC中。年復一年，勤奮的電路設計師、工程師和產(chǎn)品營銷人員都在尋找機會，將芯片提升到更高的集成水平，以降低成本、縮小設備和電路板尺寸，并最大限度地減少材料清單 (BOM)。

為什么不？系統(tǒng)設計人員將更多功能集成到 IC 中有許多充分的理由和優(yōu)勢。首先是方便。焊接一個芯片總是比焊接兩個更好。接下來是互操作性。當然，集成組件是為協(xié)同工作而設計的。無需擔心匹配數(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)濟型計算系統(tǒng)和具有不斷增加的功能的低成本微控制器 (MCU) 中實現(xiàn)的集成的承諾。

當功能在實現(xiàn)系統(tǒng)目標方面是互補的時，集成就很有意義。高性能運算放大器與模數(shù)轉換器 (ADC) 的集成就是一個很好的例子。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)勢的系統(tǒng)要求。

然而，并非所有的集成都會帶來優(yōu)勢而沒有明顯的劣勢或權衡。在某些情況下，系統(tǒng)設計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各種組件的影響。與嘈雜的開關元件集成的敏感模擬測量很少能改進系統(tǒng)。

集成受到質疑的另一個例子是系統(tǒng)的某些部分對空間至關重要。它通常與系統(tǒng)中的寄生電容、環(huán)路和電感有關。當必須最小化一個參數(shù)時，它通常優(yōu)先于通過集成可能獲得的任何優(yōu)勢。最后，集成的成本效益有時會逆轉。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，因為它們采用了專門的晶圓廠工藝和封裝。

案例研究：隔離式柵極驅動器 隔離式柵極驅動器是體現(xiàn)分立元件優(yōu)于集成元件優(yōu)勢的常見元件。在電源轉換系統(tǒng)中切換高壓軌時使用隔離式柵極驅動器。

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

隔離式柵極驅動器不適合集成到配對系統(tǒng)控制器中的原因很明顯。例如，場效應晶體管 (FET) 柵極的快速、高壓開關本質上是有噪聲的。在典型的開關周期中，高邊開關上的柵極電壓穿過下軌和上軌之間的整個范圍。在開關周期的某些區(qū)域，它可以在幾十納秒或更短的時間內(nèi)改變數(shù)百伏或更多。

這種波動會在柵極驅動器輸出上產(chǎn)生巨大的瞬變。專用柵極驅動器旨在抑制這些瞬變，但將這種噪聲引入封裝會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間關鍵的數(shù)字電路，它們將不堪重負，其功能將徒勞無功。

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

這些組件不能選擇集成的另一個原因是柵極驅動器需要靠近它負責的開關（圖 1）。所使用的開關及其對散熱器質量和氣流的相關要求通常決定了開關子系統(tǒng)的大小。對于開關半橋，尤其是全橋，集成組件使柵極驅動器無法靠近所有正在使用的 FET（至少兩個，但通常是四個或更多）設備。

在設計半橋或全橋電路時，元件布局和 PCB 布局對性能至關重要。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，但保持驅動器靠近 FET 可以最大限度地減少不利影響。

爬電要求最后，與電流隔離相關的獨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，爬電距離會變大。隔離式柵極驅動器的典型爬電距離約為 4 至 8 mm，甚至更大。

圖 2：集成隔離驅動器的問題包括 A) 由于爬電距離要求而浪費封裝空間；B) 封裝內(nèi)對敏感數(shù)字信號的高壓瞬態(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。

在集成隔離式柵極驅動器的理論案例中，這種爬電距離要求會給其余組件帶來很大負擔。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)域可能會減少爬電距離。

這可能會顯著減少控制器可用的外圍設備，這些控制器通常在設備的四個側面都有引腳，每個引腳都分配有功能。增加封裝尺寸和適應隔離柵的要求必然會增加系統(tǒng)成本。

Silicon Labs 提供多個高性能分立隔離式柵極驅動器系列。有些包括可放置在非?？拷?a target="_blank">電源開關的單柵極驅動器選項。其他系列具有高端/低端對，在抗噪和成本優(yōu)化方面提供與分立驅動器相同的優(yōu)勢。但是，必須注意這些器件的布局，以保持對稱的寄生環(huán)境。

例如，Silicon Labs 的 Si827x 驅動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，該器件也能按預期運行。其他柵極驅動器系列，例如 Si8239x，在具有 8mm 爬電距離的封裝中提供高達 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大的單個設備中是有意義的。幾十年來，模擬和混合信號功能、存儲器和高性能數(shù)字邏輯的集成一直是半導體行業(yè)的福音。

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

但是，在某些應用案例中，集成模型存在不足。用于電源轉換器的開關電路的柵極驅動器必須保持分立元件，以防止噪聲干擾系統(tǒng)控制器功能，并允許將驅動器放置在靠近開關的位置以減少寄生效應。

由于獨特的封裝尺寸要求，在系統(tǒng)設計中使用隔離式柵極驅動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產(chǎn)生明顯的負擔，只能通過昂貴的非標準封裝來解決。

審核編輯：郭婷