2.自举电路的工作过程
(相关资料图)
如图19-1
图19-1:自举电路拓扑
图19-2:Q1关闭,Q2导通时的电流流向
如图19-2所示,当Q1关闭,Q2导通时,半桥的开关节点SW被拉到接近地电位(GND),此时Vin通过D给Cboot充电。
图19-3:Q1导通,Q2关闭时的电流流向
如图19-3所示,当Q1导通,Q2关断时,半桥的开关节点SW被拉到接近电源电位(Vin),自举二极管D将开始阻断。在这种状态下,高压侧栅极电路与供电轨分离,并且仅由自举电容器供电。此时已经被充满电的Cboot两端电压为Vin,但是不能突变,所以此时VH点的电压=2×Vin-VD,达到上管Q1的导通阈值。上述过程中SW和BOOT引脚上的电压如图19-4所示,其中Vf是内置二极管的正
图19-4:SW和Boot处电压波形
当SW电压在图19-2中的开关操作期间较低时,电荷从VIN存储在电容器中,从而导致电容器两端的电压为VIN-Vf。当SW电压高时,BOOT电压增加到2×VIN-Vf,内置二极管将电压保持在2×VIN-Vf。因此,BOOT电压在VIN-Vf和2×VIN-Vf之间切换。
如果VIN电压>BOOT电压,二极管中会流过正向电流。当SW=接地时,BOOT电压为VIN-Vf。
假设VIN电压≤BOOT电压,二极管中没有电流流动。电容器两端的电压保持在VIN-Vf,因此,当SW=VIN时,BOOT电压为2×VIN-Vf。
当该BOOT电压用作高压侧N沟道MOSFET的栅极电压时,可以获得栅极和源极之间的电压VGS,该电压足以完全接通MOSFET。
在图19-5中,内置二极管的阳极连接VIN,BOOT电压可以增加到2×VIN-Vf,高侧N-chMOSFET的栅源电压差最大为VIN-Vf。当VIN-Vf超过VGS额定值时,高压侧N-ch MOSFET将被破坏。
图19-5:考虑防止超过VGS额定值的方法
如计算中所述,该BOOT电压可能超过高侧N-ch MOSFET的栅极和源极之间的击穿电压VGSS。因此,在设计具有高输入电压的产品时,如图19-6所示,将大约5V的内部电源连接到阳极,以使BOOT电压保持在栅极和源极之间的击穿电压以下
当二极管的阳极连接到大约5V的内部电源时,高侧N-ch MOSFET的栅极电压最大为5V-Vf。因此,不会超过N沟道MOSFET的VGS额定值,并且可以保护高侧N沟道MOS。
3.自举电容的计算和选型
图19-8:确定CBOOT所需的电路图
作为示例,使用QG=10nC、IBOOT=10nA、D=0.3和f=1MHz进
因此,Cboot应为0.1uF或更大。然而,应使用数据表中描述的电容,因为它们是根据从这些方程获得的结果设计的。
4.自举二极管(外置)的计算和选型
尽管自举电路仅由三个组件组成,但仔细选择每个组件对于整个半桥的良好性能非常重要。下面概述选择自举二极管时的典型设计考虑因素。
闭锁电压:自举二极管必须设计为与半桥FET相同的阻断电压。它必须能够在半桥电路运行期间阻断静态高压电源电压VDC加上任何额外的关断过冲。
动态与静态性能:在选择自举二极管时,必须仔细考虑动态开关和静态电气参数,并且经常需要权衡。在高达数十kHz的低频设计中,快速二极管的动态参数需求比较宽泛,可以选择低VF和低泄漏的器件。然而,对于高频、快速开关应用,必须选择具有低结电容Cj和最佳反向恢复时间(最小trr和Qrr)的小型二极管。
二极管上存储的电荷将在每个开关周期期间打开和关闭,并且在高频下会导致Rboot中的相当大的损失。在非常高的频率设计中,自举二极管中的充电电流在低侧FET T2关断之前可能不会衰减到零,并且将发生反向恢复。在该操作期间,关断时额外电荷Qrr从高压侧电容器传输回来。这增加了所需的总充电电流。此外,快速的二极管恢复会导致可能导致强烈振铃引发EMI问题,甚至会触发栅极驱动电路的UVLO保护。由于这些原因,肖特基二极管可以是高频设计的一个很好的选择,即使它们的静态存储电荷通常大于相对普通的PN二极管。
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