关于自举电路的研究和解析

发表于 2019-10-11 11:44:21 收藏 已收藏
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关于自举电路的研究和解析

发表于 2019-10-11 11:44:21

在我们谈及的电荷泵电路中,电容的充电、放电以及其参考点电位的变化是实现电荷泵功能的关键,与之连接的二极管所起的作用则是协助完成充电和放电的单向开关:

关于自举电路的研究和解析

当我们将二极管都当作是理想的开关时,此电路的输出电压VOUT就等于VIN加上脉冲信号的变化幅度。

由于D1单向导通的特性,脉冲信号为高电平时的D1是截止的,低电平时的D2是截止的。

与电荷泵类似的电路在我们常见的Buck电路中也是广泛存在的,只是其应用的形式发生了变化,我们把这种新的电路称为自举电路。

Buck电路的拓扑结构如下图所示:

关于自举电路的研究和解析

当其中的开关用N型MOSFET来实现时,我们很容易就会遇到高侧开关(上桥K1)的驱动问题。

关于自举电路的研究和解析

如上图,当Q1截止期间,我们用相对于Q1源极电位更高的栅极电压使Q1导通,Q1的源极电压即会等于其漏极电压VIN,此时就必须使栅极电压高于VIN才能使Q1持续导通,否则Q1就会在它导通的过程中重新回到截止状态,实际上也就是既无法导通也无法截止,因为要使之导通的努力仍然会继续存在,它会因此而处于半导通状态,我们需要的功能完全不能正常实现,反倒是消耗了大量电能以致造成发热。自举电路存在的目的就是让Q1的驱动电路能在Q1导通的同时自动使其栅极电压跟随Q1源极电压的上升而自动上升同样的幅度,从而保持Q1的导通状态。

RT6204是立锜最新推出的可在5.2V-60V输入电压下工作的宽输入同步Buck转换器,可输出0.8V-50V电压,负载能力为0.5A,它的实现就是采用N型的MOSFET开关,所以它在工作的时候就会遇到我们这里陈述的问题。因此,RT6204的设计就引入了自举电路以解决上桥的驱动问题,我们可以先来看看它的应用电路:

关于自举电路的研究和解析

再来看看它的内部电路框图:

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我们在结合这两幅图以后可以看到,RT6204以VIN为内部电路的供电端和转换电路的供电端,内部有一个稳压器(Internal Regulator)从此输入给出一个稳定的低电压为内部电路供电(没有明确地表示出来),同时经一只内部二极管将电能送至上桥HS的驱动电路和BOOT端,而BOOT端则通过一只外部电容CBOOT和开关节点SW连接起来。

当下桥LS导通的时候,开关节点SW处的电压略低于0V(GND电压),内部稳压器的输出经内部二极管为电容CBOOT进行充电,因而上桥HS的驱动电路的供电电压就是该电容上的电压(大约为5V)。

当下桥LS截止以后,经过极短的一段死区时间(避免上下桥同时贯通),上桥HS的驱动电路输出高电压使其导通,SW处的电压经此过程变成等于VIN端电压。与此同时,以SW为参考点的CBOOT上的电压不会发生变化,所以BOOT端的电压也会上升相应的幅度达到大约为VIN+5V,所以HS将持续保持导通状态直至其导通过程结束。

HS的驱动电路依靠HS自身的源极电压的变化将其驱动电压提升,相当于是自己把自己举了起来,因此这种电路被称为自举电路。

自举电容的充电过程是在下桥LS导通的时间段内完成的,它的放电过程是在驱动上桥的时候完成的。对于一个确定的上桥开关来说,它的栅极电容是确定不变的,因此自举电容在每个工作周期的放电量是确定不变的。但是,由于内部稳压器的供电能力是有限的,在LS导通期间为自举电容充电的电流就是有限的,这就有可能导致一个结果:在高占空比的应用中,由于下桥LS的导通时间很有限,很有可能造成自举电容CBOOT的充电不足,这样就会造成对上桥HS的驱动能力不足,从而造成正常的转换过程出现问题。为了避免这种问题对转换器的影响成为现实,RT6204的内部嵌入了对自举电路的欠压保护功能(从内部框图中的BOOT UVLO标识看到这一点)。

RT6204容许的最高占空比为93%,当输入和输出逐渐逼近时,典型的高占空比应用就会发生,这样就会出现自举电容充电不足的问题。所以,RT6204规格书的应用说明中给出建议,当VIN低于5.5V或占空比高于65%时,最好是给电路提供一个额外的自举电容充电电路以弥补内部充电的不足,说明这种做法的参考电路如下图所示:

关于自举电路的研究和解析

采用了这种做法的完整电路则如下图所示:

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由于容许的BOOT端和SW之间的最高电压为6V,我们在设计上需要确保BOOT相对于SW的电压不会高于5.5V,所以,这个外部引入的电源最好就是5V的。如果系统的输入电压低于5.5V,或是该转换器的输出电压就是5V,我们最好就从这些地方直接取得该电源。

如果系统中没有5V左右的电源存在,我们还有没有别的办法解决这个问题呢?这在实际上还是存在的,只需要利用基本的电路原理即可做到这一点。具体的方法我就不在这里叙说了,感兴趣的读者可以在关注我们的微信号以后在公号的菜单中找到一篇关于车规产品的应用笔记,这篇笔记详细介绍了RT2875(最高工作电压为36V的3A Buck)的应用方法,给出了很多设计上的参考,其中就有关于如何设计自举电路的充电电路的内容,可以帮助你完全掌握这一方法。

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