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DC-DC的BOOT(BST)引脚连接电容有何用？

原创 硬件之路学习笔记 2024-01-07 00:21
构建AI未来，Arm计算平台无处不在 如何提升高压系统的实时性能?

-----本文简介-----

主要内容包括：

  • 什么是自举电容？

  • 为何有的DC-DC的BST(BOOT)引脚要接自举电容？

  • 自举电容如何起作用？

  • 什么样的DC-DC不需要自举电容


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----- 正文 -----
一、DC-DC的分类
    1. 非同步DC-DC

图1 非同步型DC-DC

        如上图1是非同步型DC-DC控制器及其外围器件拓扑，其典型特征是外部有输入输出电容、电感以及二极管，这种结构是最常见的DC-DC-BUCK结构，其价格便宜且更适用于高输出电压，但其缺点是由于二极管的压降导致其效率相较于同步型DC-DC要低。
    2. 同步型DC-DC
    

图2 同步型DC-DC

        如图二是同步型DC-DC控制器及其外围器件拓扑，其典型特性是外部没有二极管，只有输入输出电容与电感，这种结构的DC-DC由于其二极管用MOSFET代替，而MOSFET具有更低的导通电阻，因而其导通压降很低，因此其效率更高，但其缺点是由于需要对MOSFET进行控制，因此相较于非同步型DC-DC控制更复杂且其价格更贵。
二、同步型DC-DC
    1. 双NMOS结构
        

图4 双NMOS结构与自举电容


    2. PMOS+NMOS结构
    

图4 PMOS+NMOS结构（无自举电容）


三、为何不同结构对自举电容需求不同？
    1. MOS导通状态

图5 双MOS导通状态

        无论是双NMOS还是PMOS+NMOS结构，其导通逻辑都是上下MOS交替导通。
    2. 双NMOS结构中MOS导通条件

       

        如上图，要想使MOS导通，很简单只需要Vgs>VGS(TH)(即VGS门限电压)即可，由于下管S极接地，且VGS(TH)一般不大，因此下管很容易达到开启条件。但对于上管，由于其S极连接到SW引脚，而上管导通时，SW引脚电压与VIN电压相同，对于同样的门限电压VGS(TH)，上管的G极电压至少要达到VIN+VGS(TH)才可以，因此其对应驱动器供电电压一定要达到这个电压以上。

        如何使驱动器供电电压达到VIN+VGS(TH)，此时自举电容能起到作用，由于电容的电压不可突变，因此只需要一个自举电容加上一个BOOST升压控制器即可将驱动器供电电压叠加到VIN+VGS(TH)以上。


    3. PMOS+NMOS结构中MOS导通条件
        
         对于上管是PMOS结构的控制器，由于上管的VGS(TH)是负值，因此要想使上管导通只需要减小G极电压即可，不需要驱动器输出多高的电压，因此不需要额外增加自举电容。
 四、哪种结构更好？
        既然PMOS+NMOS型也能实现DC-DC控制还不需要自举电容，为何其不常见？原因主要有以下几点：
        ①：PMOS导通电阻较大，开关损耗更高。
        ②：PMOS工艺复杂价格相较于NMOS昂贵
        ③：PMOS寄生参数大，响应速度慢
        由于以上PMOS硬伤，市面上最常见的同步型DC-DC结构还是双NMOS型结构。
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