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Boot电容(自举电容)的工作原理

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描述

自举电容,内部高端MOS需要得到高出IC的VCC的电压,通过自举电路升压得到,比VCC高的电压,否则,高端MOS无法驱动。

自举是指通过开关电源MOS管和电容组成的升压电路,通过电源对电容充电致其电压高于VCC。最简单的自举电路由一个电容构成,为了防止升高后的电压回灌到原始的输入电压,会加一个Diode.自举的好处在于利用电容两端电压不能突变的特性来升高电压。举个例子来说,如果MOS的Drink极电压为12V,Source极电压原为0V,Gate极驱动电压也为12V,那么当MOS在导通瞬间,Soure极电压会升高为Drink减压减去一个很小的导通压降,那么Vgs电压会接近于0V,MOS在导通瞬间后又会关断,再导通,再关断……。如此下去,长时间在MOS的Drink极与Source间通过的是一个N倍于工作频率的高频脉冲,这样的脉冲尖峰在MOS上会产生过大的电压应力,很快MOS管会被损坏。如果在MOS的Gate与Source间接入一个小电容,在MOS未导通时给电容充电,在MOS导通,Source电压升高后,自动将Gate极电压升高,便可使MOS保持继续导通。

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对于MOSFET,导通的条件是栅-源极之间的电压(Ugs)大于某个阈值,这个阈值同的管其值不尽相同。下图所示是一个NMOS的半桥,对于低端的管子Q2,由于其源极接地,所以当要求Q2导通时,只要在Q2的栅极加个一定的电压即可;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,则要求Q2的栅极电压Ug大于Ud。简单地说,要求升压。

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高端管的驱动方法有几个,如用隔离变压器等。自举型驱动IC具有简单、实用的特点,目前被广泛地使用。下面简要地描述自举的工作过程,目的是理清自举的工作原理,更合理地设计电路、布局布线和器件选型。

电路简图

首先,如下图,是一款MOSFET驱动IC的电路图,值得注意:出于便于分析的初衷,对电路进行了简化。

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如上图,这电路并不陌生,二极管D1和电容C1分别被称为自举二极管和自举电容,有些IC把自举二极管集成到IC内部。

把上图的驱动作简化,只留下它的输出级,得到下图:注:此图为示意图,只用于功能的描述。下图的黄色框内可以看作开关,这样便于下面分析理解。

充电过程

可以理解,半桥的两个禁止同时导通。下图是半桥低端管导通的示意图。

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如上图所示,半桥的高端管关闭,而低端管开启,这时泵二极管和泵电容组成充电回路。由上图可以得到,+15V的电源经过泵二极管、泵电容、再经过半桥的低端管、再到地(电源负极),它们组成回路,对泵电容进行充电,使电容两边的电压为15V,即Uc = 15V。

放电过程

这时再分析半桥低端管关闭的情况,如下图所示:

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由于半桥低端管关闭,上文所述的回路被截断,泵二极管处于反向截止。由于高端管开启,

所以Ug = Uc + Us。

可得 Ugs = Ug - Us = Uc 。

由于充电过程中,电容已被充电,所以Uc的电压大概为15V。

即Ugs = 15V 。这个电压可以开启高端管的MOSFET。

至此,已完成一个PWM周期内,自举电路的工作过程,可以理解为泵电容的充放电过程。

责任编辑:lq

 

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