自举电路字面意思是自己把自己抬起来的电路,本文介绍利用电容的升压电路(或叫电荷泵电路),是电子电路中常见的电路之一。我们经常在IC外围器件中看到自举电容,比如图1同步降压转换器(BUCK)电路中,CBOOT就是自举电容(也有叫飞跨电容),电源输入或输出端并联的电容如果掉了,起码电源还能输出一个目标电压(稳定性和噪声性能差),但是如果CBOOT电容异常,电源就完全不会工作。
图1 开关电源中的自举电容CBOOT
为什么要用自举电路呢?这是因为在一些电路中使用MOS搭建桥式电路,见图2 ,下管NMOS导通条件容易实现,下管Q2的栅极G与源极S之间的电压VGS超过VGS(th)后即可导通,VGS(th)通常比较低,因此很容易实现。而对于上管Q1而言,源极S本来就有一定的电压,如果要想直接驱动栅极G来满足VGS>VGS(th)的条件,栅极G的电压需要比源极S的电压还要高,则需要在栅极G和地之间加一个很高的电压,这个难以实现。自举电路应运而生。
图2 双MOS的同步开关电源拓扑
有了自举电路,就可以轻松在上管栅极G产生一个高压,从而驱动上管MOS。具体原理如下:见书图3 ,输入总电压VIN经过internal regulator后输出一个直流电压V,用于给CBOOT(C1)充电,这个internal regulator一般是LDO结构的电源(LDO原理在第二章有详细介绍)。当下管Q2导通时,SW电压为0,LDO输出电压V—>二极管—>自举电容C1—>下管Q2—>地,通过这条回路对CBOOT电容进行充电,电容两端两端电压约等于V。
图3 CBOOT充电路径
当下管Q2断开时,电容放电路径见图4 ,SW位置电压不再是0,不管SW位置的电压是多少,电容C1两端已经存储了电压V,那么A点电压现在比SW位置电压高了V,相当于Q1的栅极G比源极S高了电压V,可以使得上管Q1导通,此时A点的电压变为V+Vsw,实现了电压抬升,电容自己把自己的电压举了起来。
图4 CBOOT放电路径
图5 是自举电容电压实测波形,黄色和绿色曲线分别是电容两端相对于系统GND的电压波形,粉色是绿线减黄线,是电容两端的电压波形。可以看到随着管子的开关,电容两端的电压一直不变,保持为内部LDO的电压,而电容两端相对于系统GND的电压一直在波动,一会被升上去,一会又降下来,这样就可以在需要的时候,使得电容高边的电压足够高,以驱动上管导通,与前文分析的过程一致。以上就是自举电容的基本原理。
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