浅谈buck电路中的bootstrap电路

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在中大功率buck电路中,由于需要尽可能地减小mosfet的导通电阻,以便提高效率,所以会采用NMOS作为上管,然而,驱动NMOS需要将门级电压抬高到高于VSW(Vin)+VGS,所以此时会用到bootstrap电路,本文就详细探讨一下bootstrap电路的这个话题。

.为什么需要bootstrap电路

图1 BUCK电路中的PMOS和NMOS上管

首先,我们看一下两种BUCK电路的上管,图1左侧是采用PMOS的上管,由于其门极电压VGS是负电压驱动,因此只要将Gate拉到地电平就可以驱动导通,而右侧的采用NMOSBUCK电路上管,必须要通过图中所示bootstrap电路,即电容和二极管串联电路,来达到抬高上管驱动电压的效果。这里还有一个原因需要说明,当达到同样的Rds-on时,NMOSPMOS的成本要低,这也是采用NMOS作为上管的原因。

有一些开关电源芯片将bootstrap电容及二极管集成进了芯片中,但是有一些芯片需要外部接bootstrap电容和二极管,甚至于根据具体需要设计bootstrap电路,因此需要考虑到一些典型问题。

.实际产品的bootstrap电路示例

MCP16301是一个典型的,常用于大功率电源或者嵌入式系统的辅助电源芯片,其封装为SOT23-6.

图2 MCP16301的封装

图3 集成上管NMOS开关

从其主要feature来看,明确指明,如图3所示,其集成的上管是NMOS的开关,导通电阻为460mohm

图4 典型bootstrap电路

当输出电压比较适中时,也就是说,其电压为3V-5.5V之间时,可以将输出电压拉到bootstrap电容上,在下管续流导通时给bootstrap电容充电,并且通过串联二极管阻断在上管导通时,bootstrap电容反向为输出端释放能量。

图5 bootstrap电路的影响参数

Bootstrap电路采取不同的应用参数,比如不同的boot驱动电压等,是否对电源芯片的性能有所影响呢?从图5上看,在规格书电气特性中可知,上管NMOS的导通电阻, 是在3.3Vbootstrap电压下测得的,所以采用不同的bootstrap电压会影响上管的导通电阻,从而影响效率。而不同的bootstrap驱动电压对NMOS限流点也有一定影响。

 

图6 bootstrap需要的pin脚

6中,我们根据bootstrap的相应的pin,也就是boost pin的描述来看,bootstrap电容是接在SWboost pin之间,为上管驱动NMOS提供电压及能量。

 

.bootstrap电路的启动

电路在刚开始启动时,bootstrap电容中并没有存储能量,所以需要用输入电压通过一个预调整电源给它预充电,如图7所示箭头部分路径。

图7 内部框图及booststrap pre-charge电路

由于此电路工作在非同步整流模式,因此,当轻载时,上管开关占空比很小,电流上升也不大,最终导致二极管续流时的时间也很小,这会只给bootstrap电容充电一点点时间,这是bootstrap电路的最差工作情况。当输入电压较高时,输入预充调整器可以弥补bootstrap需要的电容能量。

.多种bootstrap电路满足多种工作状态

当输出电压在3V-5.5V之间时,输出电压可以作为合适电压去在稳态时给bootstrap电容充电,但是当输出电压比较低时,就需要其它方式,如图8所示。

图8 输入电压很高输出电压很低时的自举电路

如图8中,输入电压很高,输出电压又很低时,此时不能通过输出电压给自举电容充电,因此可以依靠输入电源这条路径,但是输入电压为12V,远超过NMOS需要的驱动电压,因此需要在给自举电容充电前降压,此处可以通过串联电阻RSH用稳压管来实现降压。

图9 输入电压很高输出电压很低时外部电压自举充电

当然,除了输入电源,也可以通过外部电源去给芯片bootstrap电容充电,如图9所示,不过这会增加一路外部电源需求,如果电路中恰好有这一路电源,则可以拿来用。

 

那么,如何计算串联电阻的阻值呢?

首先,我们需要得到流过串联电阻的电流,如图10所示,为流过串联电阻的部分电流,即充电bootstrap的电流,在5V驱动时为0.8mA典型值,由此得到最大的充电电流值IBOOST.

图10 bootstrap电容充电电流

图11 求解串联电阻

稳压管自身的电流约为1mA(以稳压管规格书为准),因此可以求得串联电阻的阻值,采用最小输入电压计算,以确保稳压电路在全电压范围内可以正常运行,如图11所示。

图12 串联稳压管实现高输出电压充电bootstrap电容

当输出电压或者输入电压很高时,例如36V12VDC/DC,也可以使用输出电压或者输入电压串接一个稳压管给bootstrap电容充电,如图1213所示。

图13串联稳压管实现高输入电压充电bootstrap电容

 

五.Bootstrap电路的参数选择

如前面所示,bootstrap电路的二极管用于给电容充电提供一个路径,同时,它还避免当下管关闭上管开通时,bootstrap电容能量反向流回充电源。因此普通的快恢复二极管1N4148就可以满足这个需求,其耐压选择只要超过输入电压Vin,且留一定裕量即可。

bootstrap电路的充电电压较低时,为了不减小电容上的真实电压,则可以使用肖特基二极管,尽可能地减小串联二极管压降,增加上管NMOS的门级驱动电压。

 

Bootstrap电容是为上管NMOS驱动电路补充驱动能量,需要bootstrap电容能够存储足够的能量去满足完全驱动NMOS上管,推荐使用0.1uX7R电容即可,由于NMOS驱动电压不会超过5.5V,所以电容耐压需要确保超过这个电压,且有一定裕量。

如果应用场景是噪声敏感的场景,那么可以在bootstrap电容上串联一个几十ohm的电阻,避免开关噪声进入上管驱动电路,规格书推荐值为82ohmRC的转折频率约为20k,则开关频率的噪声可以有足够的衰减。

 

.bootstrap电路的仿真

图14 bootstrap电路的仿真

仿真电路图如图14所示,输入电压设为12V,输出电压设为4.8V,输出电流为300mA,输入源Vin和使能电压EN均使用阶跃脉冲,如图15所示。

图15 输入电压源设置

图16 输入使能源设置

如图16所示,输入使能源delay时间为200u,输入源delay时间为40u,便于先上电Vin,再上电EN信号启动。

我们做瞬态仿真,观察bootstrap电容两侧电压。

图17 瞬态仿真结果

图18 bootstrap电容电压

从图18仿真结果细节来看,VSW为开关节点,Vbootstrap电容在VSW为高时相应抬高,VSW为低时,相应变低,在整个开关周期中,VSWVbootstrap相减得到的差分电压是恒定的4.5V,这就是上管NMOS的驱动电压。

总结,通过分析bootstrap电路的稳态及启动工作原理,各种情况的自举电路变形,bootstrap的电路参数设计,最后通过仿真验证了关键节点的波形,对理解开关电源bootstrap电路有一定帮助。

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