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DCDC Bootstrap自举电路

news 来源：原创 2024/5/19 13:27:59

1、什么是自举电路

1.1、外部电路

DCDC自举电路一般在IC外围电路来看，只有一个自举电容。

1.2、内部电路

2、为什么需要自举电路

因为很多DCDC的high-side mosfet都由PMOS换成了NMOS。

为什么PMOS换成NMOS？

PMOS和NMOS由于其产品特性不同，各自的应用领域和使用方式也有所不同。从器件本身来看，PMOS的外延层是P型材料，多数载流子是空穴，NMOS的外延层是N型材料，多数载流子是电子，而电子的迁移率大概比空穴高2到3倍。因此在晶片面积相同的情况下，PMOS的导通电阻比NMOS高两到三倍。反之，具有相同导通电阻的PMOS晶片面积是NMOS的2到3倍，这样PMOS的寄生参数如Qg等会比NMOS大，但是器件热阻比NMOS小。此外，PMOS的跨导也比NMOS小，所以响应速度会更慢。

像MP2162A和MP2158A这样的high-side mosfet是PMOS的芯片则不需要自举电路。

3、自举电路工作原理

BOOT 电容的作用是 SW 在高电平时，利用电容两端电压不能突变特性，会将 BOOT 脚电压泵至比 SW 高的电压，维持高边 MOSFET 的导通状态。

下管导通时，LX = 0V，BS = PVCC - Vdiode。
上管导通时，LX = VIN，BS = PVCC - Vdiode + VIN。

4、实际应用

4.1、自举电阻

有的时候，在自举电路中，也可以加入电阻，一般叫 BOOT 电阻，和 BOOT 电容就构成了 RC 充电电路。BOOT 电阻的大小决定了高边 MOSFET 的开关速度。一般 BOOT 电阻越大，高边 MOSFET 开的就越慢，这个时候 SW 上的尖峰就越小，EMI 特性就好。BOOT 电阻越小，MOSFET 开的快，SW 上的尖峰就越大，所以有的时候会在 SW 上预留 RC 对地吸收。

坏处是增加了DCDC的功率损耗。

RT6214A Datasheet：

The internal power MOSFET switch gate driver is optimized to turn the switch on fast enough for low power loss and good efficiency, but also slow enough to reduce EMI. Switch turn-on is when most EMI occurs since VLX rises rapidly. During switch turn-off, LX is discharged relatively slowly by the inductor current during the dead time between high-side and low-side switch on-times. In some cases it is desirable to reduce EMI further, at the expense of some additional power dissipation. The switch turn-on can be slowed by placing a small (<47) resistance between BOOT and the external bootstrap capacitor. This will slow the high-side switch turn-on and VLX's rise.

4.2、外置自举二极管

MP2233 Datasheet：

An external bootstrap diode can enhance the efficiency of the regulator, given the following conditions:

VOUT is 5V or 3.3V; and

Duty cycle is high: D= VOUT/VIN >65%

RT6214A Datasheet：

When the input voltage is lower than 5.5V it is recommended to add an external bootstrap diode between VIN (or VINR) and the BOOT pin to improve enhancement of the internal MOSFET switch and improve efficiency. The bootstrap diode can be a low cost one such as 1N4148 or BAT54.

为了防止倒灌，无论是内置自举二极管还是外置自举二极管都是必须的。

在低侧MOSFET导通的每个周期内，内置自举二极管都为自举电容(CBOOTSTRAP)充电。电容的充电包括大的峰值电流，因此内置自举二极管的瞬态功耗比较大，且功耗值取决于内置二极管的正向压降。为了降低反向恢复损耗，自举二极管的反向恢复时间必须非常小。二极管的导通损耗和反向恢复损耗都会增加栅驱动器的总功耗，所以在计算栅驱动器IC功耗的时候需要将它们考虑进去。

对于高频和高电容负载的情况，有必要考虑将外置自举二极管与内置的自举二极管并联，以降低功耗。外置自举二极管的位置应紧靠栅驱动器芯片。

自举二极管的功耗是对自举电容充电时产生的正向偏置功耗和在反向恢复期间产生的反向偏置功耗之和。因为每个周期内每个事件只发生一次，二极管功耗与频率成正比。较大的容性负载需要较大的电流为自举电容重复充电，从而产生更多的功耗。

因为二极管的功耗非常大，将外置二极管与内置自举二极管并联将有助于从DCDC芯片中去除该功耗。为了使之有效，外置二极管必须紧贴IC放置从而使串联电感最小，并且正向压降要比内置二极管低得多。外置自举二极管不仅增加了DCDC芯片的效率，整个系统的效率也会增加（损耗变小）。