自举电容

自举电容是DCDC电路中用于高端MOS管导通的关键组件,其原理在于利用电容电压不能突变的特性,在下管导通时由Vcc对电容充电,然后在上管导通时提供高于输入电压的栅极电压。电容容值选择需平衡充电速度和电荷需求,而自举二极管则需具备高反向耐压和快速恢复特性。自举电容的存在与否取决于电路中开关管的类型,如内部使用NMOS则需要,而使用PMOS则不需要。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

自举电容的核心原理是:电容两端电压不能突变

为什么需要自举电容?

DCDC电路中有两个mos开关管,如下图所示。对于低端的管子Q2,由于其源极接地,所以想要Q2导通,只要在Q2的栅极加一定的电压即可;但是,对于高端的管子Q1,由于其源极的电压Us是浮动的,则不好在其栅极上施加电压以使Q1的Ugs满足导通条件。试想,理想下,Q2的导通电阻为0,即导通时,Q2的Uds为0,则Us=Ud,要想Q2导通则要求Q2的栅极电压Ug大于Ud。在一个电路中实现升压功能让Q1的Vg>Vd就用到了本篇的主角儿———自举电容。

工作原理

当下管Q2导通时,Vcc - D1 - Cboot - Q1 - GND 形成通路,Vcc对Cboot充电,充满后Cboot 电压近似为Vcc。当下管切到上管导通时,Q1导通,此时Q1的Vds近似为0,Cboot下端电压突变到Vin,由于电容电压不能突变,所有Cboot上端电压为Vin + Vcc。所有此时Q1的Vgs还是Vcc,继续保持导通。
在这里插入图片描述
芯片内部示意图:
在这里插入图片描述
简化示意图:
在这里插入图片描述

自举电容容值选择

通常取值10nF~1uF不等。

过大,在下管导通 时间内电源对自举电容充电不能充满 ,造成Cboot上电压偏低。
过小,Cboot储存的电荷量不足以满足以下电荷的需求:
a) MGT栅极电荷要求。

b) Iqbs :高端驱动电路静态电流。

c) 驱动IC 中电平转换电路的电流。

d) MGT栅极源漏电流。

e) 自举电容漏电流。

自举二极管的选择

在高端器件开通时,自举二极管必须能够阻止高压(上管导通时二级管反向电压等于 Vin,所有反向耐压一定要 高于Vin),并且应是快恢复二极管,以减小从自举电容向电源Vcc 的回馈电荷。如果电容需要长期贮存电荷时,高温反向漏电流指标也很重要。

为什么有的buck没有自举电容?

这个问题跟Buck芯片内部的使用的管子有关系,如果内部2个开关管都是NMOS管,那么是需要自举电容的。但是有的BUCK芯片上管是PMOS管,不需要产生比Vin还高的电压,也就不需要boot电容。如下图所示:
在这里插入图片描述

### 自举电容充电控制原理及实现方法 自举电容的充电控制主要依赖于电路设计中特定的开关状态和电压叠加机制。在同步Buck转换器中,自举电容(Cboot)的作用是为高端MOSFET的栅极驱动提供足够的电压,以确保其能够正常导通。以下是关于自举电容充电控制的具体原理及实现方式: #### 1. 自举电容充电的基本过程 当低端MOSFET(Q2)导通且高端MOSFET(Q1)关断时,开关节点(SW)被拉至地电位(GND)。此时,自举二极管正向导通,电源通过二极管对自举电容(Cboot)进行充电,直到Cboot两端的电压达到设定的充电电压(通常为电源电压与二极管压降之差)[^4]。 ```plaintext 充电阶段: - Q2 导通,Q1 关断。 - SW 节点接地。 - 自举二极管导通,电源为 Cboot 充电。 ``` #### 2. 自举电容放电与电压叠加 当Q2关断且Q1导通时,开关节点(SW)的电压从0V升至输入电压(Vin)。由于自举电容两端的电压差保持不变,Cboot的下极板电压随之升高至Vin,而上极板电压则变为Vin加上之前的充电电压(即Vin + Vboot_charge)。这种电压叠加机制使得高端MOSFET的栅源电压(Vgs)足够高,从而保证其可靠导通[^4]。 ```plaintext 放电阶段: - Q2 关断,Q1 导通。 - SW 节点电压升至 Vin。 - Cboot 上极板电压变为 Vin + Vboot_charge。 - 高端 MOSFET 的栅极电压由 Cboot 提供。 ``` #### 3. 实现方法中的关键元件 - **自举二极管**:用于在低端MOSFET导通期间将电源连接到自举电容,完成充电过程。 - **自举电容(Cboot)**:存储电荷并在高端MOSFET导通时提供必要的栅极驱动电压。 - **高端MOSFET(Q1)**:需要通过自举电容提供的电压来确保其栅源电压大于阈值电压(Vgs(th)),从而实现持续导通[^4]。 #### 4. 控制逻辑与注意事项 为了确保自举电容的有效充电和放电,必须合理设计电路参数,包括自举电容的容量、自举二极管的正向压降以及高端MOSFET的阈值电压。此外,还需注意以下几点: - 自举电容的容量应足够大,以避免在高频开关过程中因充放电不足导致电压波动。 - 自举二极管的选择需考虑其正向压降和反向恢复特性,以减少损耗并提高效率[^3]。 ```python # 示例代码:模拟自举电容充电过程 import numpy as np def bootstrap_capacitor_charging(Vin, Vf_diode, Cboot, Rdiode, dt): """ 模拟自举电容的充电过程 :param Vin: 输入电压 (V) :param Vf_diode: 二极管正向压降 (V) :param Cboot: 自举电容值 (F) :param Rdiode: 二极管等效电阻 (Ω) :param dt: 时间步长 (s) :return: 充电电压随时间的变化 """ Vc = 0 # 初始电容电压 t = 0 # 初始时间 times = [] voltages = [] while Vc < (Vin - Vf_diode): Icharge = (Vin - Vf_diode - Vc) / Rdiode dVc = Icharge * dt / Cboot Vc += dVc t += dt times.append(t) voltages.append(Vc) return times, voltages ```
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值