Part 01前言
在采用高側(cè)N溝道MOSFET的同步BUCK電路中，自舉電容CBOOT在實(shí)現(xiàn)高側(cè)MOSFET驅(qū)動(dòng)中是核心器件。自舉電容選值過(guò)小可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)不足、MOSFET發(fā)熱嚴(yán)重，選值過(guò)大可能引發(fā)其他問(wèn)題。那這玩意該怎么選一個(gè)合適的容值呢？
要理解如何選擇自舉電容，首先必須明確它的工作原理。在BUCK電路中，高側(cè)MOSFET的源極連接在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)SW上，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)SW的波形那可謂是劇烈波動(dòng)，它的電壓在0V和輸入電壓VIN之間快速切換。我們?yōu)榱俗孨溝道MOSFET完全導(dǎo)通，就必須讓柵極電壓比源極電壓高出一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓，一般是10V左右。而自舉電容的任務(wù)就是在Q1需要導(dǎo)通時(shí)，提供一個(gè)以SW節(jié)點(diǎn)為參考地、電壓約為VCC的懸浮電源。
充電過(guò)程：當(dāng)?shù)蛡?cè)MOSFET導(dǎo)通，SW節(jié)點(diǎn)被拉至地時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片的供電VCC會(huì)通過(guò)自舉二極管為CBOOT充電，使其兩端電壓接近VCC。
放電過(guò)程：當(dāng)?shù)蛡?cè)MOSFET關(guān)斷，高側(cè)MOSFET準(zhǔn)備導(dǎo)通時(shí)，SW節(jié)點(diǎn)電壓上升至VIN。由于電容電壓不能突變，自舉電容CBOOT的正極電壓也被抬升至VIN+VCC，從而為Q1的柵極提供充足的驅(qū)動(dòng)電壓。
在Q1的整個(gè)導(dǎo)通期間，自舉電容CBOOT是唯一的能量來(lái)源，它通過(guò)放電來(lái)提供驅(qū)動(dòng)電流。因此，自舉電容選型的核心原則就是確保在最長(zhǎng)的高側(cè)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，CBOOT因放電導(dǎo)致的電壓下降，不會(huì)低到影響驅(qū)動(dòng)電路正常工作的程度，簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)說(shuō)就是咱不能把自舉電容的電放的太低了，因?yàn)镸OSFET的導(dǎo)通電阻和驅(qū)動(dòng)電壓有關(guān)系，驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)低會(huì)導(dǎo)致MOSFET內(nèi)阻增大，發(fā)熱嚴(yán)重。
Part 02自舉電容選型的計(jì)算
步驟一：計(jì)算總電荷消耗量Qtotal
在一個(gè)高側(cè)導(dǎo)通周期內(nèi)，自舉電容需要提供的總電荷量包括以下幾個(gè)部分：
1．MOSFET柵極電荷Qg：這是最主要的電荷消耗，用于對(duì)高側(cè)MOSFET的柵極電容進(jìn)行充電，使其開(kāi)啟。這個(gè)值可以直接從MOSFET的數(shù)據(jù)手冊(cè)中查得。
2．驅(qū)動(dòng)器靜態(tài)電流消耗Qqbs：驅(qū)動(dòng)芯片的高側(cè)驅(qū)動(dòng)電路在工作時(shí)自身會(huì)消耗一部分靜態(tài)電流。這部分消耗的電荷可以通過(guò)以下公式計(jì)算：
驅(qū)動(dòng)器靜態(tài)電流消耗 = 高側(cè)驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)工作電流 x ton(max)高側(cè)驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)工作電流，可從驅(qū)動(dòng)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中查得。
ton(max)：高側(cè)MOSFET可能出現(xiàn)的最長(zhǎng)導(dǎo)通時(shí)間，等于最大占空比除以開(kāi)關(guān)頻率(Dmax /fsw)。
3．各類(lèi)漏電流消耗Qleak：這包括自舉電容自身的漏電流、MOSFET柵源極的漏電流、自舉二極管的反向漏電流等?，F(xiàn)在的陶瓷電容和二極管半導(dǎo)體器件，對(duì)應(yīng)的這部分漏電流通常非常小，咱們一般可以忽略。
因此，總的電荷消耗為：
步驟二：確定允許的自舉電壓降(△VBOOT)
自舉電容放電時(shí)，其兩端的電壓會(huì)下降。這個(gè)電壓降必須被限制在一個(gè)安全的范圍內(nèi)，以確保驅(qū)動(dòng)電壓始終高于驅(qū)動(dòng)芯片的高側(cè)欠壓鎖定UVLO閾值。允許的最大電壓降可以通過(guò)以下公式計(jì)算：
VCC是驅(qū)動(dòng)芯片的供電電壓。
Vf是自舉二極管的正向壓降，典型值0.7V。
VUVLO(falling)是驅(qū)動(dòng)芯片高側(cè)驅(qū)動(dòng)的欠壓鎖定閾值，這是保證驅(qū)動(dòng)器能正常工作的最低電壓，可從芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)查得。VGS(min)：為確保MOSFET維持在低導(dǎo)通電阻狀態(tài)所需的最小柵源電壓。一般來(lái)說(shuō)我們考慮了VUVLO就足夠了，出于余量考慮，我們可以把此部分考慮進(jìn)來(lái)。
步驟三：計(jì)算最小電容值并最終選型
根據(jù)電容的基本定義Q = C × V，我們可以計(jì)算出所需的最小電容值：
注意，上面的這個(gè)計(jì)算值是理論上的最小值。在實(shí)際電容選型中，必須考慮以下影響電容容值的因素：
1.電容容值容差：電容的實(shí)際容值存在偏差，例如±10%。
2.直流偏壓特性：MLCC的實(shí)際電容量會(huì)隨著其兩端施加的直流電壓的升高而顯著下降。自舉電容上的直流電壓約為VCC，所以一定別忘了查閱電容規(guī)格書(shū)，確保在VCC電壓下，其實(shí)際容值仍大于計(jì)算出的CBOOT(min)。
3.溫度特性：電容的容值會(huì)隨溫度變化，應(yīng)選擇溫度特性好的材質(zhì)，如X7R，把溫度對(duì)容值的降額納入考慮范圍。
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