為什么DCDC芯片設(shè)計(jì)中都有一個(gè)自舉電容？

在以往的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，我經(jīng)常會(huì)選用到 DCDC 芯片，不過大部分情況下是基于 Buck 拓?fù)涞?，這主要是因?yàn)槲以O(shè)計(jì)的產(chǎn)品通常是10+串的電池供電，因此需要從 40+V 的電壓降到 12V，5V，3.3V 給系統(tǒng)供電。

因此，在選型過程中經(jīng)常遇到的 DCDC 芯片有同步整流和異步整流兩種。

我們常常在這樣的 DCDC 電路中看到一個(gè)自舉電容，在芯片的引腳上往往標(biāo)注BS 或者 BST，如下圖中拓爾微的 TMI3494，它就選用了一個(gè) 0.1uF 的電容用來自舉。

那么，這里為什么稱作自舉呢？我們可以一步一步地來分析一下。

首先說一點(diǎn)，基于 Buck 拓?fù)涞?DCDC芯片，對(duì)于這個(gè)自舉電容并不是必須的，比如下面這個(gè)拓爾微的 TMI3493，他的原理圖中就沒有這個(gè)自舉電容。

這里對(duì)于 TMI3493 和 TMI3494 兩款芯片的主要區(qū)別在于兩點(diǎn)：

TMI3494 是異步整流，TMI3493 是同步整理，這一點(diǎn)從原理圖中的續(xù)流二極管可以看出。TMI3494 的內(nèi)部 高邊 MOS 管采用的是 NMOS，而 TMI3493 的高邊 MOS 則采用的是 PMOS。

沒錯(cuò)，自舉電容的有無就取決于芯片設(shè)計(jì)中采用的MOS 管類型。

一、MOS 管的開啟與關(guān)閉

要研究這個(gè)自舉的由來，我們還是先看一下 MOS 的開啟與關(guān)閉。從上文得知，我們首先要分別看一下 NMOS 和 PMOS 電源拓?fù)渲械?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%BC%80%E5%85%B3/">開關(guān)情況了。

上圖中展示的 Bcuk 電路中選用的是 PMOS 來作為開關(guān)管進(jìn)行斬波控制，因此，我們知道只需要在 Q1 的 Vgs 施加負(fù)電壓就可以順利打開 MOS 管 Q1。但是，從MOS 管的生產(chǎn)工藝上我們了解到，PMOS 的導(dǎo)通電流往往做不到很大，相同成本下，NMOS 的導(dǎo)通電流可以做到更大，也就是 Rdson 可以做到相對(duì)較低。因此Buck 電路中會(huì)將開關(guān)管從 PMOS 更換為 NMOS，如下圖所示。

那么問題來了，當(dāng)我們把 Bcuk 電路中的 PMOS 換成 NMOS 之后，我們?nèi)绾卧?MOS 管 Q1 上給出一個(gè)高電平呢？系統(tǒng)最高電壓是 40V，從上圖看，我們需要在 MOS 的柵極給出 45V 以上的電壓才能使得 Q1 完全導(dǎo)通。因此，在高邊 MOS 使用 NMOS 的 DC-DC 芯片設(shè)計(jì)中，就需要一個(gè)電路來進(jìn)行自舉，也就是產(chǎn)生一個(gè)高于系統(tǒng)輸入電壓的電壓來打開高邊的 NMOS。又因?yàn)殡娙莸捏w積問題，很難集成在 IC 內(nèi)部，因此絕大部分的 DC-DC 芯片要求使用者在外面放置這個(gè)自舉電容。

二、H橋驅(qū)動(dòng)電路中的自舉電容分析

我想利用 H 橋驅(qū)動(dòng)電路中的 MOS 和 MOSDriver 電路來分析一下自舉電容的工作原理和過程，因?yàn)槭褂?H 橋電路推動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，和 DCDC 芯片推動(dòng)儲(chǔ)能電感降壓時(shí)的工作原理基本上是相同的。

首先，上下橋的兩個(gè) MOS 管不可以同時(shí)導(dǎo)通，那么在下管導(dǎo)通的時(shí)候，上圖中紅色箭頭標(biāo)注的是自舉電容的充電回路。在這個(gè)階段，自舉電容的 AB 兩端被充電為 12V。下一個(gè)階段，下管關(guān)閉，此時(shí)上管 Q1 的 S 極處于浮動(dòng)狀態(tài)，IR2014 內(nèi)部將 VB 引腳鏈接到 HO 引腳即可在 Q1 的 GS 兩極并聯(lián)上充滿電的自舉電容，因此 Vgs = 12V，使得 Q1 導(dǎo)通。如此循環(huán)，上管關(guān)閉后，下管打開，再繼續(xù)為自舉電容充電，為下一次上管打開做準(zhǔn)備。

三、同步 DCDC 電路中的自舉電容

同步 DC-DC 芯片中的自舉電容的原理與上文中提到的 H橋驅(qū)動(dòng)非常相似，我們看一下同步DC-DC 芯片的內(nèi)部框圖來看一下自舉回路。

框圖中，兩個(gè)綠色圓圈的 VCC 是 DC-DC 芯片內(nèi)部穩(wěn)壓出來的一個(gè)可以驅(qū)動(dòng) MOS 開啟的電壓，也可以供芯片內(nèi)部其他邏輯電路使用，這里你可以理解為上一章節(jié)中 IR2014 的輸入電壓 12V。然后就跟 H 橋電路中的邏輯一樣，當(dāng)?shù)瓦?MOS 管通過 LS Driver （這里可以直接用 VCC 驅(qū)動(dòng)，因?yàn)槭堑瓦叺?NMOS）導(dǎo)通時(shí)，自舉電容的回路通過紅色箭頭的回路進(jìn)行充電，將自舉電容兩端電壓 V+和 V-之間充到 VCC 的電壓。此時(shí)，buck 電路處于續(xù)流狀態(tài)，因此綠色箭頭表示的是電源輸出與負(fù)載回路的續(xù)流回路。當(dāng)續(xù)流完畢，低邊 NMOS 將被關(guān)閉，高邊 NMOS 將由 HS Driver 選擇將 C1 電容直接并接在高邊 NMOS 的 GS 兩端，高邊 NMOS 打開為電感補(bǔ)充能量。如果 DC-DC 中的高邊 NMOS 換成一個(gè) PMOS 的話，我們就沒有必要大費(fèi)周折的去給一個(gè)電容充電了，直接給一個(gè)比系統(tǒng)輸入電壓 VIN 低一些電壓就可以打開高邊的 PMOS 了。

四、異步 DCDC 中的自舉電容

下面，我們通過一幅圖來看一下，對(duì)于異步 DCDC 芯片，它的自舉電容的充電回路是怎么樣的，因?yàn)楫惒?DCDC 沒有低邊的 MOS 管，它的續(xù)流是靠外部設(shè)計(jì)一個(gè)肖特基二極管進(jìn)行續(xù)流的，所以芯片內(nèi)部的設(shè)計(jì)上還是有所不同。

我們可以看到，異步的 DC-DC 芯片在下邊橋上設(shè)計(jì)了一個(gè)小的 MOS 管，并且串聯(lián)了一個(gè)二極管（藍(lán)色圓圈內(nèi)），之所以說這是一個(gè)小的 MOS 管，原因就在于它串了二極管后，在續(xù)流的過程中，大電流的回路只會(huì)流過外置的肖特基二極管，而不會(huì)影響到自舉電容的充電回路。紅色箭頭所指的回路就是自舉電容的充電回路，這回大家了解了吧，在異步 DC-DC 芯片中，工程師是預(yù)置了一個(gè)小 MOS 管來控制自舉電容的充電回路的。

五、自舉電容的選擇

了解了自舉電容的原理，其實(shí)對(duì)于自舉電容的選型也就可以得心應(yīng)手了，手冊(cè)中一般也會(huì)標(biāo)記出來，它理論上的額定電壓就是DCDC 芯片中 VCC 的電壓。

手冊(cè)中一般也會(huì)推薦，這里一般選擇 10V 或者 16V 的 MLCC 即可，畢竟現(xiàn)在的 MOS 管的 Vth 越來也低了，基本上 5V 以內(nèi)就可以完全打開了。