DC-DC自举升压电路的典型应用

一、自举升压电路的典型应用：

图一：Buck电路系统的框图、参考设计

图二：Boost 电路系统的框图、参考设计

如图一、图二所示，在DC-DC开关芯片【Buck、Boost】上都有一个BST的引脚，它和SW开关引脚之间需要连接一个小电容通常0.1uF-1uF之间，那么为什么需要加这个电容呢？有什么作用呢？

图三：芯片内部结构简易图

其实仔细观察芯片内部结构简易图可以找到答案。如图三所示的内部原理框图可以看到：输出端SW引脚的高侧、低侧均采用的N-MOS管，使用N-MOS管需要解决一个驱动电压的问题，因为驱动信号参考端和高端驱动管S极不是同一个参考电位，所以需要将高侧端驱动信号抬高，这里很巧妙使用了电容自举升压抬高。具体过程如下：低侧端N-MOS导通时，输出端电感通过其续流，同时对自举电容充电；当低侧端N-MOS管断开时，自举升压电容为高侧端驱动电路直接提供电压，高侧端驱动信号使高端N-MOS导通。

该电容如何选择呢？

电容、电荷量和其电压的基本关系如下：

Q=C*U------C：容量，Q：电荷量，U：电压；

因为我们知道，驱动消耗的功率在电容上面最终是电荷量的形式，我们驱动的如MOSFET，最终在其门极是结电容造成的，根据数据手册往往会给出其在一定驱动电压下需要的电荷量Q，如下图是某MOSFET数据手册中给出的门极总电荷量Qg：

门极总电荷量测试曲线，可以看出其是门极电压Vgs的正相关量

通过转换一下电容、电荷量和其电压的基本关系就可以得到自举电容的计算方法：

C=Qg/△U

这里，Qg是高侧端MOS的门极总电荷量；△U是电容两端电压的变化量，我们知道这个电压越稳定，意味着驱动电压越稳定，保持一定的驱动电压意味着MOSFET在稳定的饱和区，功率损耗越小。

常规情况下，在电容已经被充电稳定的情况下，保持电容电压的变化或波动量在100mV到300mV是我们能够接受的，这个值也就就是电容电压的纹波大小。假如门极电荷量是10nC（驱动电压是10V的情况下），我们要求驱动过程中，自举电容的电压变化量最大是100mV，那么自举电容则为：

C=10nC/0,1=100nF

实际中，这个电容我们通常要求采用低ESR的陶瓷电容，以便提供高质量的驱动能量，大小则需要取值为计算值的3至5倍。这是因为电容本身会存在一定的偏差，且陶瓷电容在直流偏置下容量衰减的比较厉害。

我们常用的小功率DC-DC更是会给出一个典型的自举电容，比如100nF或10nF，这个值往往都是大于计算值的，我们采用推荐值，因为这些DC-DC的MOSFET内置，无法得知这个MOSFET的特性，所以采用它们给的推荐值。

二、简单模型：

相对简单的应用自举电路，如下图中的电路，二极管D1和电容C1就构建了自举电路。

A状态：电容充电时状态

A状态为默认状态：此时开关S1闭合，开关S2断开，Q1导通，C1负极与地导通，电流从电源V1出发，通过D1，经过C1，经过Q1，再流回电源V1。达到稳态后，电容上端对地电压为5V，下端对地电压为0V。

B状态：自举升压时状态

B状态为自举升压状态：开关S1断开，Q1截止，开关S2闭合，电容下端电压与电源正极直连，此时电容下端对地电压等于电源正极对地电压，即为5V。由于电容两端电压不能突变，电容上端相对电容下端，电压为5V，电容下端相对地，电压为5V。所以电容下端相对地，电压成了5V+5V=10V。由于D1的反向截止作用，使得电容上端对地电压可以保持在10V。

审核编辑：汤梓红