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異步Buck電路自舉電容的工作原理和組成

jf_iZR6mdqV ? 來源:硬件微講堂 ? 2023-12-20 10:09 ? 次閱讀

前兩天,有小伙伴在群里問Buck電路的自舉電容,讓講一講。誰知道,腦門一熱就答應了……既然牛皮已吹出去了,就算跪著也要寫出來!如有不對或不夠深入,還請包涵。

一道面試題

照例,先拋出來一道面試題:“Buck電路的SW引腳通常會放置一顆小電容,這顆電容有什么用?”。這個問題問得比較細,非常考驗被面試者的硬件基本功。

似懂非懂的答案

有小伙伴可能不太清楚這顆電容的作用,回答不上來。也有小伙伴脫口而出:自舉電容,用來做升壓的。但后面好像說不出來具體邏輯。

沒具體了解過,答不上來,也沒啥可惜的。但是了解過一點,但又似懂非懂的這種,給出的答案只是輕輕點水或者千篇一律,那無疑是錯過了一個加分項。

異步Buck的自舉環路組成

既然是針對Buck電路講自舉電容,前面我們聊過Buck電路有異步和同步之分,想必大家對這個已經很熟悉。我們就先聊聊異步Buck的自舉電容,為了更有說服力,就以TI的LMR16006為例。

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上圖為芯片的典型應用拓撲,Cboot就是我們說的自舉電容。為了能清楚的理解自舉電容的原理,我們需要深入到Buck芯片內部,去看個究竟。

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上圖即為異步Buck芯片LMR16006的內部架構。今天我們主要介紹跟Cboot相關的部分,其他的不做展開。

①Q1:NMOS管,是異步Buck電路的開關管;

②HS Driver:Q1的g極驅動電路

③Q2:NMOS管,用于給Cboot電容充電提供回路;

④兩個單向二極管,必要時及時截止,阻止不必要的通路;

⑤VCC:Bootstrap Regulator(自舉調整器,翻譯得可能不一定恰當),用于從Vin取電并給MOS管高邊驅動HS Driver提供偏置電壓。

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LMR16006的Datasheet上并沒有明確給出該Bootstrap Regulator的電壓值,只是說低于3V會進入UVLO(Undervoltage lockout thresholds)狀態。

Cboot充電回路

如下圖所示,當高邊MOS管Q1關斷時,異步Buck電路的電流回路,如綠色箭頭所示。這個想必大家都已經熟悉了。

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在電感泄放能量的同時,Cboot也開始充電,充電的回路正如上圖紅色箭頭所示:Vin-->VCC-->D-->Cboot-->Q2-->GND。這里我們忽略二極管D1的導通壓降,就認為A點的點位約等于0電平。B點的防反二極管導通壓降也忽略,那么,Cboot充電完成后的電壓約等于VCC。

簡單概括:Cboot充/電感放,各走各路!

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注意:由于Q2上端有二極管的存在,不會給電感泄放提供第二個回路,所以不會影響電感的正常泄放。

浮地驅動

當電感儲存的能量泄放完,D1反向截止,而HS Driver要驅動高邊MOS管Q1導通時,細心的你會發現:Q2的S極直接接地,G極只要輸出高電平(>Vth),Mos管Q2即可導通。而Q1的S極是接在SW(即A點)上,D1已反向截止,Q2也關斷,這樣就沒了回路,我們可以認為Q1是懸浮在半空中。只是單純的讓G極輸出高電平,并不能讓Q1導通。

正是由于Cboot的存在,而且并聯在HS Driver電源兩端,電壓剛好約等于VCC。這里強調下:Cboot是并聯在HS Driver的電源兩端(V+/V-),并不是直接并聯在MOS管的G和S兩端。但HS Driver和MOS是共"參考點"(實際是V-,即A點電位)。

正是Cboot,將原本懸浮的HS Driver的兩個電源端V+/V-之間建立了(電位差)聯系。這個電位差剛好是VCC。

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當邏輯控制單元給HS Driver輸入高電平時,HS Drvier立即輸出高電平(相對V-,即A點電位而言),驅動高邊MOS管的G極。此時,MOS管的Vgs剛好就是Cboot兩端的電壓(約等于VCC),Vgs>Vth,Q1導通。

簡單概括:浮地要驅動,就要加自舉。

不突變與能持久

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Q1導通后,A點電位突變為VIN,及V-電位變成VIN(遠遠高于VCC電壓)。如果V+依舊保持VCC的電位,那Q1恐怕要被迫關閉了!正是由于Cboot的存在,Cboot電容兩端電壓差不能突變,B點電位變為VIN+VCC。這樣對Cboot而言,電壓差依然是VCC。對HS Drvier而言,以A點電位為參考,輸出高電平時,Vgs依然是VCC,大于Vth,可以讓Q1持續導通

簡單概況:電壓不突變,導通能持久。

總結

聊到這里,今天想說的也差不多了,我們大概清楚了異步Buck的自舉環路組成、Cboot的充電回路、浮地驅動方式以及上管持續導通的原因。

為了便于理解,概括三句話:

充電回路:電容充/電感放,各走各路!

浮地驅動:浮地要驅動,就要加自舉!

持續導通:電壓不突變,導通能持久!

以上所述,部分內容涉及個人理解,如有覺得不妥,歡迎留言討論。

來源: 本文轉載自硬件微講堂公眾號

審核編輯:湯梓紅

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原文標題:3句話,讓你了解自舉電容的工作原理!

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