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Silicon Labs 芯科科技

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【设计知识】隔离栅极驱动器-元件集成的最佳实践

2019-01-07
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在系统设计中,由于封装尺寸要求进而使用隔离栅极驱动器作为分立元件可以降低整体系统成本。本文将介绍隔离栅极驱动器,离散栅极驱动器,组件集成和各种解决方案。我们还将讨论集成的好处和权衡问题,以及它并非总是最好解决方案的原因。

 

Silicon Labs(亦称芯科科技)提供多种高性能分立隔离栅极驱动器系列解决方案,其中包括一些可以放置在非常靠近电源开关的单栅极驱动器的选项,其他还有具有高侧/低侧配置的系列产品。这在一定程度下提供了离散驱动器在抗噪声和成本优化方面的相同优势,但是,必须注意到的是这些器件的布局是保持对称的寄生环境。Cheryl刊登于微博

 

整合并不总是最佳解决方案

60多年来,元件集成一直是半导体行业的推动力,行业称为集成电路。年复一年,辛勤劳动的电路设计师,工程师和产品营销人员寻找机会提高芯片的集成化级别,以降低成本,缩小器件和电路板尺寸,并最大限度地减少产品物料(BOM)成本。

 

为什么不进行集成化呢?系统设计人员将更多功能集成到IC器件中有很多好的理由和优点。首先是方便,因为焊接一个器件总是比焊接两个器件好。接下来是互操作性,集成元件可以协同工作,工程师无需担心匹配数字接口,阻抗或杂乱的胶连逻辑。最后,成本是组件集成的一大动力。在经济计算系统和功能不断增加的低成本微控制器(MCU)中,降低成本是实现集成化的保证。

 

当函数在实现系统目标时是互补的,那么集成是富有意义的。高性能运算放大器与模数转换器(ADC)的集成就是一个很好的例子。下一步需要进行的操作就是将这些模拟组件与MCU集成。在这样的情况下,它们共同实现了系统要求,具有集成的所有优点。现在,无线组件的进一步集成是半导体行业取得进步的下一个方向点。

 

并非所有集成都会产生优势而没有明显的缺点或权衡问题。在某些情况下,对于系统设计来说,继续使用分立元件或为更好选择。通常,决定是否需要集成的关键因素需要考虑噪声对各种组件的影响。这其中与噪声开关组件集成的灵敏模拟测量很少能够改善系统。同时当系统的某些部分对空间至关重要,那么集成也会受到质疑。这通常与系统中的寄生电容,环路和电感有关。

 

当必须最小化一个参数时,分立通常优先于集成可能获得的任何优点。最后,整合的成本效益有时会逆转。这在功率MOSFET中可以看到这种情况:分立元件具有专门的制造工艺和封装,最终比同等的集成器件便宜。

 

隔离栅极驱动器应用优势

隔离式栅极驱动器为通用元件,它可体现分立式集成元件的优点。当电源转换系统切换高压轨时,隔离栅极驱动器将被使用。在这一过程中,除了与开关门的有效驱动相关的要求 - 快速电流源,低传播延迟和高瞬态抗扰度 - 还存在与隔离相关如封装间隔等的不同要求。

 

当然也有明显的理由说明隔离栅极驱动器不适合集成到其配对系统控制器中。例如,场效应晶体管(FET)栅极的快速高压开关本质上是有噪声的。在一般开关周期期间,高侧开关上的栅极电压在下导轨和上导轨之间的整个范围内行进。在开关周期的某些区域中,它可以在几十纳秒或更短的时间内改变数百伏或更多。这种波动会在栅极驱动器输出上发生巨大瞬变。而专用栅极驱动器旨在抑制这些瞬变,但此类操作将这种噪声引入封装可能会影响芯片上的所有电路。如果这些电路是敏感的模拟电路或时间关键的数字电路,它们将不堪重负,功能也毫无结果。

 

对这些元件来说,不选择集成的另一原因是:栅极驱动器需要靠近它负责的开关。所使用的开关及其对散热器质量和气流的相关要求通常会设定开关子系统的尺寸。对于半桥而言,特别是全桥的开关,集成元件使得无法将栅极驱动器定位在所使用的所有FET附近 - 至少两个但通常是四个或多个器件。在设计半桥或全桥电路时,元件布局和印刷电路板(PCB)布局对性能至关重要。

 

为了获得最佳性能,必须最小化电流返回路径和最大限度降低寄生元件效应- 杂散电容和电感。寄生电容和电感是不可避免的,但保持驱动器靠近FET可以最大限度地减少不利影响。

 

最后,与电流隔离相关的独特爬电阻止了该元件的集成。爬电距离为IC外部暴露金属之间沿封装的间距。通常,随着母线电压的增加,爬电距离必须加大。因此隔离栅极驱动器的典型爬电距离约为4 mm8 mm,甚至更大。

 

在理论情况下,集成隔离栅极驱动器所要求的爬电会给其余元件带来很大的负担。与系统控制器集成需要更大的封装尺寸,并且大面积没有引脚或暴露的金属,这可能会减少爬电距离。这可能会减少控制器可用的外围设备——这些控制器通常在设备的四个侧面都有引脚,并为每个控制器分配功能。结果是增加封装尺寸并满足隔离栅的要求必然会增加系统成本。

 

Silicon Labs离散隔离栅极驱动器

我们提供多种高性能分立隔离栅极驱动器系列,Si827x驱动器系列可提供非常高水平的瞬态噪声抗扰度。即使存在200 kV / commons共模瞬变,该器件也能按预期运行。其他栅极驱动器系列,例如Si8239x,在具有8 mm爬电距离的封装中提供高达5 kV的隔离额定值。在满足实现这些规格和距离条件的同时,保持解决方案的成本效益,这不是不可能,但是较为困难。

 

在许多情况下,将组件集成到功能更强大的单个设备中是有意义的。几十年来,模拟和混合信号功能,存储器和高性能数字逻辑的集成一直是半导体行业的福音。但是,在某些应用案例中,集成模型不足。用于功率转换器的开关电路的栅极驱动器必须保持分立元件,以防止噪声干扰系统控制器的功能,并允许驱动器靠近开关放置,以减少寄生效应。

 

因为隔离栅极驱动器具有独特的封装尺寸要求,在系统设计中使用作为分立元件可以降低整体系统成本。因此尝试集成这些组件会产生明显的负担,只能通过昂贵的非标准包装来解决。

 

开始您的隔离系统设计之旅前,请先了解Silicon Labs的隔离开发工具:https://www.silabs.com/products/development-tools/isolation#isodriver

 

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