DC-DC自舉升壓電路的典型應(yīng)用

一、自舉升壓電路的典型應(yīng)用：

圖一：Buck電路系統(tǒng)的框圖、參考設(shè)計(jì)

圖二：Boost 電路系統(tǒng)的框圖、參考設(shè)計(jì)

如圖一、圖二所示，在DC-DC開關(guān)芯片【Buck、Boost】上都有一個(gè)BST的引腳，它和SW開關(guān)引腳之間需要連接一個(gè)小電容通常0.1uF-1uF之間，那么為什么需要加這個(gè)電容呢？有什么作用呢？

圖三：芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易圖

其實(shí)仔細(xì)觀察芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易圖可以找到答案。如圖三所示的內(nèi)部原理框圖可以看到：輸出端SW引腳的高側(cè)、低側(cè)均采用的N-MOS管，使用N-MOS管需要解決一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓的問(wèn)題，因?yàn)轵?qū)動(dòng)信號(hào)參考端和高端驅(qū)動(dòng)管S極不是同一個(gè)參考電位，所以需要將高側(cè)端驅(qū)動(dòng)信號(hào)抬高，這里很巧妙使用了電容自舉升壓抬高。具體過(guò)程如下：低側(cè)端N-MOS導(dǎo)通時(shí)，輸出端電感通過(guò)其續(xù)流，同時(shí)對(duì)自舉電容充電；當(dāng)?shù)蛡?cè)端N-MOS管斷開時(shí)，自舉升壓電容為高側(cè)端驅(qū)動(dòng)電路直接提供電壓，高側(cè)端驅(qū)動(dòng)信號(hào)使高端N-MOS導(dǎo)通。

該電容如何選擇呢？

電容、電荷量和其電壓的基本關(guān)系如下：

Q=C*U------C：容量，Q：電荷量，U：電壓；

因?yàn)槲覀冎?，?qū)動(dòng)消耗的功率在電容上面最終是電荷量的形式，我們驅(qū)動(dòng)的如MOSFET，最終在其門極是結(jié)電容造成的，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)往往會(huì)給出其在一定驅(qū)動(dòng)電壓下需要的電荷量Q，如下圖是某MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的門極總電荷量Qg：

門極總電荷量測(cè)試曲線，可以看出其是門極電壓Vgs的正相關(guān)量

通過(guò)轉(zhuǎn)換一下電容、電荷量和其電壓的基本關(guān)系就可以得到自舉電容的計(jì)算方法：

C=Qg/△U

這里，Qg是高側(cè)端MOS的門極總電荷量；△U是電容兩端電壓的變化量，我們知道這個(gè)電壓越穩(wěn)定，意味著驅(qū)動(dòng)電壓越穩(wěn)定，保持一定的驅(qū)動(dòng)電壓意味著MOSFET在穩(wěn)定的飽和區(qū)，功率損耗越小。

常規(guī)情況下，在電容已經(jīng)被充電穩(wěn)定的情況下，保持電容電壓的變化或波動(dòng)量在100mV到300mV是我們能夠接受的，這個(gè)值也就就是電容電壓的紋波大小。假如門極電荷量是10nC（驅(qū)動(dòng)電壓是10V的情況下），我們要求驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，自舉電容的電壓變化量最大是100mV，那么自舉電容則為：

C=10nC/0,1=100nF

實(shí)際中，這個(gè)電容我們通常要求采用低ESR的陶瓷電容，以便提供高質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)能量，大小則需要取值為計(jì)算值的3至5倍。這是因?yàn)殡娙荼旧頃?huì)存在一定的偏差，且陶瓷電容在直流偏置下容量衰減的比較厲害。

我們常用的小功率DC-DC更是會(huì)給出一個(gè)典型的自舉電容，比如100nF或10nF，這個(gè)值往往都是大于計(jì)算值的，我們采用推薦值，因?yàn)檫@些DC-DC的MOSFET內(nèi)置，無(wú)法得知這個(gè)MOSFET的特性，所以采用它們給的推薦值。

二、簡(jiǎn)單模型：

相對(duì)簡(jiǎn)單的應(yīng)用自舉電路，如下圖中的電路，二極管D1和電容C1就構(gòu)建了自舉電路。

A狀態(tài)：電容充電時(shí)狀態(tài)

A狀態(tài)為默認(rèn)狀態(tài)：此時(shí)開關(guān)S1閉合，開關(guān)S2斷開，Q1導(dǎo)通，C1負(fù)極與地導(dǎo)通，電流從電源V1出發(fā)，通過(guò)D1，經(jīng)過(guò)C1，經(jīng)過(guò)Q1，再流回電源V1。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，電容上端對(duì)地電壓為5V，下端對(duì)地電壓為0V。

B狀態(tài)：自舉升壓時(shí)狀態(tài)

B狀態(tài)為自舉升壓狀態(tài)：開關(guān)S1斷開，Q1截止，開關(guān)S2閉合，電容下端電壓與電源正極直連，此時(shí)電容下端對(duì)地電壓等于電源正極對(duì)地電壓，即為5V。由于電容兩端電壓不能突變，電容上端相對(duì)電容下端，電壓為5V，電容下端相對(duì)地，電壓為5V。所以電容下端相對(duì)地，電壓成了5V+5V=10V。由于D1的反向截止作用，使得電容上端對(duì)地電壓可以保持在10V。

審核編輯：湯梓紅