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5.10.4 自舉電容的選型(1)

(1) High-Side MOSFET QG = 85 nC計(jì)算實(shí)例1

(2) LM5116MH/NOPB典型應(yīng)用電路的自舉電容計(jì)算實(shí)例2

3. 自舉電容上的總電荷量大于等于HS-MOSFET柵極總電荷量的20倍

4. 總結(jié)

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(1) High-Side MOSFET QG = 85 nC計(jì)算實(shí)例1

某BUCK轉(zhuǎn)換器的High-Side MOSFET的柵極電荷量QG = 85 nC（即 Q_G(TOTAL) =85nC ）

驅(qū)動(dòng)電壓VGS = 10 V

上升時(shí)間 tR = 35 ns 

VDDA = 12 V at 3 mA（即 V_(CBOOT,INIT) = 12V ， I_(LK(TOTAL)) = 3mA ）

FPWM = 200 kHz, D = 10% to 90% ：即最大占空比為90%，開關(guān)周期為1/200kHz（最大導(dǎo)通時(shí)間為 90% / 200kHz = 4.5*10^(-6)s ）

根據(jù)公式(5.70)計(jì)算自舉電容可取的最小值為(5.72)

當(dāng)自舉電容取值 C_BOOT = 180nF 時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓跌落為 ?V_BOOT = 98.5nC / 180nF = 0.547V 。

當(dāng)自舉電容取值 C_BOOT = 470nF 時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓跌落為 ?V_BOOT = 98.5nC / 470nF = 0.209V 。

當(dāng)自舉電容取值 C_BOOT = 1000nF 時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓跌落為 ?V_BOOT = 98.5nC / 1000nF = 0.099V 。

在此算例中，自舉電容選擇180nF即可滿足設(shè)計(jì)需求。

(2) LM5116MH/NOPB典型應(yīng)用電路的自舉電容計(jì)算實(shí)例2

圖 5.46 LM5116MH/NOPB芯片Bootstrap UVLO電路框圖及相關(guān)參數(shù)

圖 5.47 LM5116MH/NOPB典型應(yīng)用電路

根據(jù)高邊開關(guān)管MOSFET Si7850規(guī)格書，其柵極總電荷量最大值為 Q_G(TOTAL) = 27nC = 27×10^(-9) C ，柵極-源極的漏電流最大值為 I_(LK,GS) = 100nA = 0.1×10^(-6) A 。

根據(jù)自舉二極管CMPD2003規(guī)格書，其反向漏電流最大值為 I_(LK,DIODE) = 100uA = 100×10^(-6) A ，在正向?qū)娏?00Ma條件下的正向?qū)▔航底畲笾禐?V_F = 1.25V 。

根據(jù)降壓控制器LM5116規(guī)格書，HB – SW = 15V 條件下，HB引腳的偏置電流最大值為200uA，這就是降壓控制器LM5116內(nèi)部自舉電路的靜態(tài)電流，即 I_(Q,BOOT) = 200uA = 200×10^(-6) A 。

該器件規(guī)格書中未給出自舉電路的漏電流 I_(LK,BOOT) ，此處忽略不計(jì)，即 I_(LK,BOOT) = 0 。

自舉陶瓷電容MLCC（C1），其漏電流通常忽略不計(jì)，即 I_(LK,CAP) = 0 。

自舉電源（PIN16）典型值為VCC = 7.4V ，所以自舉電容或HB引腳上的初始電壓應(yīng)該為 V_(CBOOT,INIT) = 7.4V - 1.25V = 6.15V 。

圖5.46所示，通常內(nèi)置電源VCC和自舉二極管Dboot的降壓轉(zhuǎn)換器或控制器芯片的規(guī)格書都會(huì)在“電氣特性（Electrical Characteristics）”中提供 V_(CBOOT,UVLO) 參數(shù)，如LM5116同步降壓控制器芯片規(guī)格書中給定的欠壓閉鎖閾值最大值為 V_(CBOOT,UVLO,MAX) = 4.7V 。

輸入電壓為 VIN = 7 V to 60 V，輸出電壓為VOUT = 5 V，最大負(fù)載電流為IOUT(MAX) = 7 A，開關(guān)頻率為FSW = 250 kHz（對(duì)應(yīng)的開關(guān)周期為1/250kHz = 4*10^(-6)s），所以該電路可能的最大占空比為 D_MAX = 5 / 7 = 0.71。

根據(jù)公式(5.68)計(jì)算自舉電容可取的最小值為

根據(jù)公式(5.71)計(jì)算自舉電容可取的最小值為

當(dāng)自舉電容取值 C_BOOT = 100nF 時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓跌落為 ?V_CBOOT = 27.852nC / 100nF = 0.278V 。

當(dāng)自舉電容取值 C_BOOT = 220nF 時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓跌落為 ?V_CBOOT = 27.852nC / 220nF = 0.127V 。

當(dāng)自舉電容取值 C_BOOT = 1000nF 時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓跌落為 ?V_CBOOT = 27.852nC / 1000F = 0.028V 。

綜上所述：①在LM5116MH典型應(yīng)用電路中，推薦自舉電容的取值在220nF及以上。②參考“5.4.3 反饋電阻取值實(shí)例TPS54561DPRT”章節(jié)，選擇的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同，得到高邊反饋電阻和低邊反饋電阻的取值范圍就不同；這里類似，對(duì)比公式(5.73)和(5.74)結(jié)果，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同，也會(huì)導(dǎo)致自舉電容可取的最小值不同。

3. 自舉電容上的總電荷量大于等于HS-MOSFET柵極總電荷量的20倍

在TOFF期間，自舉電容充電完成后的電荷量可以使用 ?Q=C×?V 表示為

如果自舉電容上的總電荷量大于等于高邊開關(guān)管MOSFET總柵極電荷量的20倍，即

那么

可得

所以

其中，V_(CBOOT,INIT) 是自舉電容上的初始電壓，在忽略二極管壓降的情況下，等于偏置電源 VCC ；Q_G(TOTAL)  是高邊開關(guān)的柵極總電荷量。

從前述的“計(jì)算實(shí)例1”可知，總驅(qū)動(dòng)電路電荷量13.5nC僅占所需總電荷量98.5nC的13.7%；從“計(jì)算實(shí)例2”可知，總驅(qū)動(dòng)電路電荷量0.852nC僅占所需總電荷量27.852nC的3%。由此可見，與高邊開關(guān)管MOSFET的總柵極電荷量相比，總驅(qū)動(dòng)電路電荷量是可以忽略。

將上述公式(5.79)與公式(5.70)對(duì)比可知，將公式(5.70)中的總驅(qū)動(dòng)電路電荷量 Q_(LK(TOTAL)) 忽略后得到的結(jié)果，與公式(5.79)是相同的。

所以，自舉電容取值的三個(gè)原則：“自舉電容放電后的電壓跌落 ?V_BOOT 不超過(guò)允許的最小值 VCC - V_(F,DBOOT,MAX) - V_(BOOT,UVLO,MAX)”、“自舉電容上的總電荷量大于等于高邊開關(guān)管MOSFET總柵極電荷量的20倍 ”和“自舉電容放電后的電壓跌落 ?V_BOOT 不超過(guò) V_BOOT 電壓的5%”，它們本質(zhì)上是等同的。

4. 總結(jié)

通過(guò)對(duì)比不同BUCK芯片推薦的參考電路可知，不同的BUCK芯片針對(duì)高邊MOSFET的自舉電容給出了諸如22nF、100nF；更有甚者，某些參考設(shè)計(jì)中給出了1uF電容量的自舉電容（這里就不點(diǎn)名了，不知道原廠工程師是否有過(guò)認(rèn)真計(jì)算，還是僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出的），實(shí)際通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，100nF就夠了。

那么，BUCK電路中如何確定自舉電容的取值范圍呢？如前 如何選擇輸出電容ESR參數(shù)？ 中所述，任何不給公式的元器件選型都是耍流氓。

所以，本文給出了自舉電容取值的三個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：

①“自舉電容放電后的電壓跌落 ?V_BOOT 不超過(guò)允許的最小值 VCC - V_(F,DBOOT,MAX) - V_(BOOT,UVLO,MAX)”

②“自舉電容上的總電荷量大于等于高邊開關(guān)管MOSFET總柵極電荷量的20倍 ”

③“自舉電容放電后的電壓跌落 ?V_BOOT 不超過(guò) V_BOOT 電壓的5%”，

它們本質(zhì)上是等同的。