DC-DC的BOOT(BST)引脚连接电容有何用?

原创 硬件之路学习笔记 2024-04-01 00:14

-----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

        如下图的同步BUCK型DC-DC,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对地极电压至少要达到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,下管导通时,BOOT-Charger控制器对电容进行充电,等到上管导通时,驱动器的供电电源电压为Vbst+Vin,此时正常情况下,驱动器输出电压能驱动上管开启。

    

        但是,如果有些驱动器需要的电压过高,而即使下管占空比已经非常大,给电容充的电也不足以使上管开启,这个时候,有的IC会设计专用的供电电源来给BST电容充电,如下图:

                有时候还会把这个电源引出来,如下图:

      


    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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