自举升压驱动芯片的基本原理

自举升压驱动芯片在MOS/IGBT的驱动中应用已经十分广泛，自举升压作为产生浮地电源的普遍方法，应用起来十分便捷，行之有效。

自举升压驱动芯片将自举升压电源和大电流门极驱动集成在同一个芯片，通过一个低压供电的驱动芯片同时驱动半桥上的两个开关管，高边开关管可以处于高达1200V的漏极电压下。芯片内部需要有隔离或电平移相电路将低压驱动信号传递到高边开关管的驱动电路。

自举升压驱动芯片的诞生是针对半桥功率电路，但由于自举升压方法的便捷性与灵活性，这一类芯片也可以应用于其他方面。本文介绍一种使用自举升压芯片在15V供电电压下产生30V45V乃至更高电压方波的方法，其实就是一个电压加倍的方法。

上图用于分析自举升压驱动的基本原理，在此前一篇分析自举电源机理的文章中已经做过一些分析，此处再次进行说明。首先假设下管Q2开通，上管Q1关断，自举电源的地FGND通过Q2与母线地GND连接在一起，15V电源通过二极管D1向电容C1充电，电容C1上得到了将近15V的电压。当Q1开通Q2关断时，自举电源地FGND与母线电压VBUS短接，自举电源F15V已经比母线电压VBUS高15V了，此时就可以使用自举产生的电压驱动Q1。

其实这段分析中出现了一个悖论，分析中首先假设Q1开通，然后才获得了高于母线的驱动电压，然而在尚未获得高于母线的自举电压前，是如何使Q1开通的的呢?其实在动态过程中，这个自举电压是随着桥臂中点电压逐渐升到母线电压的。它只需要确保Q1的Vgs是15V就可以了，Q1的源极是在Q2关断后逐渐上升到母线电压，这一过程根据不同的负载类型会有所区别。例如图中的感性负载，由于电感的续流，在Q2关断后，Q1开通前，电感电流流过Q1的体二极管，体二极管导通后Q1的源极就已经和母线电压几乎相等了。如果是纯阻性或容性负载，需要等到Q1门极与源极间获得15V驱动电压，Q1导通并向负载电容上充电，致使桥臂中点电压上升至VBUS。

根据以上讲解，其实自举升压就是将一个电容充好电，然后用一个可以跳动的电压将电容的负压端举高高，那么正压端就会获得一个更高的电压。如果我们用下管的驱动作为这个跳动的电压，通过上管的自举升压，就可以在上管驱动电压端口获得一个相对于地的二倍电压。

上图给出了一个使用自举升压芯片驱动MOS半桥的典型电路，通过二极管D与电容C获得自举电源，自举电源的VCC和GND分别对应芯片的VB和VS，HO与LO是高边和低边MOS的门极驱动信号，HIN和LIN是驱动信号的输入。图中的驱动芯片型号为IR2101，是国际整流器公司(IR)比较老的产品，目前国际整流器公司已经被英飞凌收购，同类的芯片在英飞凌和德州仪器均有大量可替代型号。

上图中去掉MOS，我们将自举电源的地VS直接与低边驱动信号VO连接在一起，将两个输入信号短接，共用同一个方波信号。

得到如图的连接结构。此时如果给Vin输入一个方波，即可在Vout得到一个幅值为30V的方波。当输入为0时，LO输出低电平，HO也输出低电平，HO的自举电源地与LO相连，因此低电平就是0V。当输入为1时，LO输出15V，HO输出相对于自举电源地的15V，因此HO相对于地的电压为30V。

其实这还没有结束，如果想获得更高的电压，可以增加相同的芯片，将第二片芯片的自举电压地也就是VS连接到第一片芯片的HO上，就可以在第二片芯片的HO上获得45V方波。当然这个过程并没有考虑二极管的压降。

关于自举升压芯片的选型，要注意芯片是否支持LO与HO同时输出高电平，因为在半桥应用中，通常需要避免上下管同时导通，因此部分芯片在内部做了逻辑限制直通，需要通过阅读规格书判断是否存在这个问题。

关于高幅值方波的应用，本文举个例子，例如超声波发射模块的驱动。超声波模块的发射功率随着驱动电压的增大而增大，在超声波测距的应用中，如果想提高测量距离的范围，一个方法是通过提高发射端驱动电压，另一个方法是提高接收端放大电路的增益和信噪比。

如果峰峰值30V的驱动电压你还觉得不够，那么还可以使用两个相同的自举升压电路，通入极性相反的驱动信号，如上图所示。通过调整驱动回路的电容和电阻，可以获得60V的峰峰值，如果将电阻换为电感，说不定效果更好。