自举电容的工作原理

news2024/10/2 8:35:20

一.异步自举

1.1异步Buck的自举环路组成

 

上图为芯片的典型应用拓扑,Cboot就是我们说的自举电容。为了能清楚的理解自举电容的原理,我们需要深入到Buck芯片内部,去看个究竟。

 

上图即为异步Buck芯片LMR16006的内部架构。

①Q1:NMOS管,是异步Buck电路的开关管;

②HS Driver:Q1的g极驱动电路;

③Q2:NMOS管,用于给Cboot电容充电提供回路;

④两个单向二极管,必要时及时截止,阻止不必要的通路;

⑤VCC:Bootstrap Regulator(自举调整器,翻译得可能不一定恰当),用于从Vin取电并给MOS管高边驱动HS Driver提供偏置电压。

1.2 Cboot充电回路

如下图所示,当高边MOS管Q1关断时,异步Buck电路的电流回路,如绿色箭头所示

 

在电感泄放能量的同时,Cboot也开始充电,充电的回路正如上图红色箭头所示:Vin–>VCC–>D–>Cboot–>Q2–>GND。这里我们忽略二极管D1的导通压降,就认为A点的点位约等于0电平。B点的防反二极管导通压降也忽略,那么,Cboot充电完成后的电压约等于VCC。

简单概括:Cboot充/电感放,各走各路!

 

注意:由于Q2上端有二极管的存在,不会给电感泄放提供第二个回路,所以不会影响电感的正常泄放。

1.3 浮地驱动

当电感储存的能量泄放完,D1反向截止,而HS Driver要驱动高边MOS管Q1导通时,细心的你会发现:Q2的S极直接接地,G极只要输出高电平(>Vth),Mos管Q2即可导通。而Q1的S极是接在SW(即A点)上,D1已反向截止,Q2也关断,这样就没了回路,我们可以认为Q1是悬浮在半空中。只是单纯的让G极输出高电平,并不能让Q1导通。

正是由于Cboot的存在,而且并联在HS Driver电源两端,电压刚好约等于VCC。这里强调下:Cboot是并联在HS Driver的电源两端(V+/V-),并不是直接并联在MOS管的G和S两端。但HS Driver和MOS是共"参考点"(实际是V-,即A点电位)。

正是Cboot,将原本悬浮的HS Driver的两个电源端V+/V-之间建立了(电位差)联系。这个电位差刚好是VCC。

 

当逻辑控制单元给HS Driver输入高电平时,HS Drvier立即输出高电平(相对V-,即A点电位而言),驱动高边MOS管的G极。此时,MOS管的Vgs刚好就是Cboot两端的电压(约等于VCC),Vgs>Vth,Q1导通。

简单概括:浮地要驱动,就要加自举。

1.4 不突变与能持久

 

Q1导通后,A点电位突变为VIN,即V-电位变成VIN(远远高于VCC电压)。如果V+依旧保持VCC的电位,那Q1恐怕要被迫关闭了!正是由于Cboot的存在,Cboot电容两端电压差不能突变,B点电位变为VIN+VCC。这样对Cboot而言,电压差依然是VCC。对HS Drvier而言,以A点电位为参考,输出高电平时,Vgs依然是VCC,大于Vth,可以让Q1持续导通。

简单概况:电压不突变,导通能持久。

1.5总结

充电回路:电容充/电感放,各走各路!

浮地驱动:浮地要驱动,就要加自举!

持续导通:电压不突变,导通能持久!

二.同步自举

2.1同步Buck的自举环路组成

 

如上图所示,相比异步Buck,整体的架构少了续流二极管,其他类似

 

通过备注,是不是感觉和异步Buck在自举环路组件有些类似。

①HQ高管:NMOS,高边开关管;

②HS Driver:HQ的驱动电路,是双电源供电;

③LQ低管:NMOS,低边开关管;

④LS Driver:LQ的驱动电路,是单电源供电;

⑤VCC:由VIN经过内部的Regulator产生的VCC,给HS Driver提供偏置电压,给LS Driver提供驱动电压。

⑥单向二极管:只有BST上有一个。相比异步Buck少一个。

这里少了CB refresh的充电回路控制单元,因为已经有了LQ。

2.2 Cboot充电回路

 

在电感泄放能量的同时,Cboot也开始充电,充电的回路正如上图红色箭头所示:Vin–>VCC–>D–>Cboot–>LQ–>GND。这里我们忽略防反二极管导通压降,那么,Cboot充电完成后的电压约等于VCC。

注意:电感的泄放回路与Cboot的充电回路,局部有重合

2.3浮地驱动

浮地驱动和上面异步Buck的逻辑相同

 

当电感储存的能量泄放完,LQ反向截止,而HS Driver要驱动高管HQ导通时,对于LQ,G极只要输出高电平(>Vth),Mos管LQ即可导通。而HQ的S极是接在SW上,我们可以认为HQ是悬浮在半空中。只是单纯的让G极输出高电平,并不能让HQ导通。

正是由于Cboot的存在,而且并联在HS Driver电源两端,电压刚好约等于VCC(忽略二极管压降)。这里强调下:Cboot是并联在HS Driver的电源两端(V+/V-),并不是直接并联在MOS管的G和S两端。但HS Driver和MOS是共"参考点"(实际是V-)。

正是Cboot,将原本悬浮的HS Driver的两个电源端V+/V-之间建立了(电位差)联系。这个电位差刚好是VCC。

当逻辑控制单元给HS Driver输入高电平时,HS Drvier立即输出高电平(相对V-),驱动HQ的G极。此时,MOS管的Vgs刚好就是Cboot两端的电压(约等于VCC),Vgs>Vth,HQ导通。

2.4不突变与能持久

持续导通和上面异步Buck的逻辑相同

HQ导通后,V-点电位突变为VIN(远远高于VCC电压)。如果V+依旧保持VCC的电位,那HQ要被迫关闭了!正是由于Cboot的存在,Cboot电容两端电压差不能突变,CB口电位变为VIN+VCC。这样对Cboot而言,电压差依然是VCC。对HS Drvier而言,以V-点电位为参考,输出高电平时,Vgs依然是VCC,大于Vth,可以让HQ持续导通。

简单概况:电压不突变,导通能持久。

2.5总结

充电回路:电容充/电感放,有部分重合

浮地驱动:浮地要驱动,就要加自举!

持续导通:电压不突变,导通能持久!

  • 为什么有的buck芯片外面没有自举电容?

这个问题跟buck芯片内部的结构有关系。具体来说:如果内部两个开关管都是NMOS,那么是需要自举电容的。因为NMOS导通条件是Vgs>VIN+Vgs(th),此时需要自举电容升压实现NMOS的驱动。但是当buck芯片内部PMOS管+NMOS的结构时,驱动上管PMOS就不需要产生比VIN还高的电压,也就不需要BOOT电容。如下图 2 所示:

 

图 2 某buck芯片内部框图部分截图

  • 细节

4.1boot电阻

其实在自举电路中,也可以加入电阻,一般叫 BOOT 电阻。BOOT 电容的作用是 SW 在高电平时,利用电容两端电压不能突变特性,会将 BOOT 脚电压泵至比 SW 高的电压,维持高边 MOSFET 的导通状态

加入了 BOOT 电阻,和 BOOT 电容就构成了 RC 充电电路

BOOT 电阻的大小决定了高边 MOSFET 的开关速度。一般 BOOT 电阻越大,高边 MOSFET 开的就越慢,这个时候 SW 上的尖峰就越小,EMI 特性就好。BOOT 电阻越小,MOSFET 开的快,SW 上的尖峰就越大,所以有的时候会在 SW 上预留 RC 对地吸收

加C52和R53是为了吸收SW上尖峰的,C35和R51是自举电路,正常一个C35就够了,这地方R51贴的是0R,R51和C35构成RC充电,R越大,DC-DC内部MOSFET开的越慢,SW尖峰小,EMI好一些;R越小,MOSFET开越快,SW上尖峰大,EMI差一些,SW上加RC(C52、R53)是为了吸收这个尖峰。

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