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BUCK电路自举电容的选型方法

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5.10.4 自举电容(Bootstrap Capacitor)的选型   

5.10.4.1 如何确定自举电容的耐压值?   

5.10.4.2 如何确定自举电容的取值范围?   

1. 自举电容放电后的电压跌落 ∆V_BOOT 不超过允许的最小值 VCC-V(F,DBOOT,MAX)-V(BOOT,UVLO,MAX)   

2. 自举电容放电后的电压跌落 ∆V_BOOT 不超过V_BOOT 电压的5%

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为了降低高边开关管的导通功率损耗,需要将高边开关管从P-MOSFET更换为N-MOSFET。高边开关管使用N-MOSFET,就必须使用自举电路才能使其导通。本文解析自举电容的选项计算方法...

5.10.4 自举电容(Bootstrap Capacitor)的选型

5.10.4.1 如何确定自举电容的耐压值?

图5.7 TPS54561DPRT参考电路原理图 

图 5.7所示,由于自举电容是并联在 BST(BOOST) / BS(Bootstrap) / BOOT 引脚与SW引脚之间,所以其耐压只需大于BST - SW之间压差的最大值即可。如前文所述,自举电容耐压要大于高边开关管栅极-源极之间的耐压。

图 5.40 TPS54561DPRT芯片引脚最大耐压额定值

5.40所示,是TPS54561DPRT芯片引脚最大耐压额定值参数,其中BOOT – SW 就是指BOOT引脚相对SW引脚的耐压范围,是 -0.3V 至 8V ,所以该电源芯片的自举电容的耐压值首先要大于等于8V 。

图 5.41 LM5145RGYT芯片引脚最大耐压额定值

图 5.41所示,有些支持高压输入范围的BUCK 芯片,其BST - SW 耐压最大值支持到14V,这是因为其芯片VCC输出电压最大值为14V。

综上所述,通常情况下自举电容的耐压选择大于16V即可,具体可参考不同开关转换器的数据手册(Datasheet)。

5.10.4.2 如何确定自举电容的取值范围?

在进行开关电源电路设计时,规格书中会给出自举电容的参考取值。

TPS54561DPRT参考电路中自举电容C4取值为0.1uF(100nF);LM5088MHX-2/NOPB器件典型应用电路中自举电容取值为0.1uF(100nF);同步降压型开关转换器FR9888的参考电路中的自举电容C4取值为0.1uF(100nF);MP2359参考设计中的自举电容C3取值为22nF 。

据此电路设计实例来看,自举电容取值通常在22nF到220nF之间。整体趋势是,自举电容取值大于与降压电路能够提供的负载电流能力是成正比关系的,能够提供的负载电流能力越大,对应的自举电容取值也越大。因为更大的负载电流能力需要更大的MOSFET晶圆面积,对应更大的MOSFET输入电容或更大的总栅极电荷量。 

以上仅是自举电容取值的定性理解;那么,自举电容的具体取值是否可以定量评估呢?答案必须是肯定的(更近一步,所有开关电源电路的所有参数都应该能够定量评估;所谓“科学技术”,以“科学”为基础的才是“技术”,否则就仅能称做“经验”)

1. 自举电容放电后的电压跌落不超过允许的最小值 VCC - V_(F,DBOOT,MAX) - V_(BOOT,UVLO,MAX)

参考“5.10.3.1 自举电容在TON时间的放电电流大小”章节公式(5.50)( Q_(CBOOT,DIS,TON) = Q_G(TOTAL) +I_LK(TOTAL) ×T_ON )和导通时间 T_ON = D×T_SW 可知,自举电容 C_BOOT 在TON时间内的总放电电荷量 Q_(CBOOT,DIS,TON) 也可以表示为

其中,Q_G(TOTAL)  是高边开关管的栅极总电荷量(可以从MOSFET规格书中读取),Q_(LK(TOTAL)) = I_LK(TOTAL) × D × T_SW 是高边驱动电路的在TON时间内需要的总电荷量。

继续细分的话,总漏电流 I_(LK(TOTAL)) 由自举二极管上的漏电流 I_(LK,DIODE) 、自举电容上的漏电流 I_(LK,CAP) 、高边开关管栅极-源极的漏电流 I_(LK,GS) 、自举电路的漏电流 I_(LK,BOOT) 和自举电路的静态电流 I_(Q,BOOT) (在转换器或驱动器BOOT引脚和开关节点SW加载一定的电压,由自举电路吸收的电流)五个部分组成,即 

如果自举电容使用的是陶瓷电容MLCC,其漏电流通常忽略不计,即 I_(LK,CAP) = 0 ;那么上述公式可以简化如下:

图 5.42 自举电容及高低边开关管状态的波形 

图 5.42所示,在TOFF期间,转换器内置电源或外部偏置电源VCC或VDD经过自举二极管 D_BOOT 给自举电容 C_BOOT 充电,充满电时,电容 C_BOOT 上的初始电压为

其中,VCC 为内置电源或外部偏置电源电压[V],V_(F,DBOOT) 为自举二极管的导通压降[V]。

从电压这个参数的角度看,自举电容 C_BOOT 在TON期间为高边开关管的栅极-源极提供电源,自举电容上存储的电荷量转换为高边开关管总栅极电荷,自举电容上的电压必然会逐渐减小。如果将自举电容上的电压跌落表示为 ∆V_BOOT ,那么自举电容放电后的电压为

图 5.43 TPS54561DPRT内部原理框图

参考图 5.43,即使自举二极管正向压降取最大值 V_(F,DBOOT,MAX) ,电压跌落取最大值 ∆V_(CBOOT,MAX) ,上述自举电容放电后的电压也不应该小于降压芯片规定的内置电源VCC的欠压闭锁阈值(VCC Under-voltage Lockout Threshold) V_(CBOOT,UVLO) 的最大值 V_(CBOOT,UVLO,MAX) (否则芯片会关闭高边开关管,开启低边开关管给自举电容重新充电),那么有

由此可得允许的电压跌落最大值应该满足的条件,如下所示:

其中,V_(F,DBOOT,MAX) 为自举二极管导通压降最大值;

如果 D_BOOT 为外置的自举二极管,则 V_(F,DBOOT,MAX) 可以从规格书中读取;如果是降压芯片内置的自举二极管,通常比较小,可以直接忽略,即 V_(F,DBOOT,MAX) = 0 。 

综合上述公式(5.60)、(5.61)和电荷公式(1.6)( ∆Q = C × ∆V ),基于公式(5.66)的判断标准,解得自举电容可取的电容量最小值为

2. 自举电容放电后的电压跌落 ∆V_BOOT 不超过 V_BOOT 电压的5%

通常也可以要求,即使在最大占空比的情况下,自举电容 C_BOOT 在TON期间的电压跌落最大值仍然不超过其上电压的5%,即

综合上述公式(5.60)、(5.61)和电荷公式(1.6)( ∆Q = C × ∆V ),基于公式(5.69)的判断标准,解得自举电容可取的电容量最小值为

其中,分母中的 ∆V_CBOOT = 5% × V_(CBOOT,INIT) 就是期望的自举电容上的电压跌落最大值。

这里需要说明的是:

因为这里(5.67)、(5.68)(5.70)、(5.71)两组公式计算的是自举电容能够取得的最小值,所以在两组公式中各参数都已知的情况下,可以分别计算两个 C_(BOOT,MIN) ,哪组公式计算的结果较大,就以哪个为“最小值”,实际取值需要大于这个“最小值”。

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