MPS | DCDC 高端 NMOS 的自舉秘訣

NMOS管的主回路電流方向?yàn)镈極到S極，導(dǎo)通條件為VGS有一定的壓差，即VG-VS>VTH；PMOS管的主回路電流方向?yàn)镾極到G極，導(dǎo)通條件為VSG有一定的壓差，即VS-VG>VTH。故一般把NMOS作為下管，S極接地，只要給G極一定電壓即可控制其導(dǎo)通關(guān)斷；把PMOS作為上管，S極接VIN，G極給個(gè)低電壓即可導(dǎo)通。當(dāng)然NMOS管也可作為上管，但需要增加自舉驅(qū)動(dòng)電路。

對于一些拓?fù)?，比如Buck、Boost、Buck-Boost這些用NMOS作為上管的拓?fù)?，就沒辦法直接用剛才說的只給G極一個(gè)電平來驅(qū)動(dòng)。假如此時(shí)D極接VIN，S極的電壓不定，NMOS管截止時(shí)為低電平，導(dǎo)通時(shí)接近高電平VIN，需要板子上給G極一個(gè)更高的電壓，但此時(shí)板子已無比VIN更高的電平了，那么就可以采用自舉驅(qū)動(dòng)電路。

如圖為用于驅(qū)動(dòng)上MOS管的電容自舉驅(qū)動(dòng)電路。該自舉電容通過二極管接到VCC端，下接上MOS管的S極。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)下MOS管導(dǎo)通時(shí)，VCC通過二極管、RBOOT、下MOS管，對CBOOT充電。充電時(shí)間為下MOS管的導(dǎo)通時(shí)間，我們定為Toff（上MOS管）；當(dāng)下管關(guān)斷后，驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通上MOS管，CBOOT的下端電壓變?yōu)閂IN，由于電容兩端電壓不能突變，所以CBOOT上的電壓自然就被舉了起來。這樣驅(qū)動(dòng)電壓才能高過輸入電壓，就能保持上管持續(xù)導(dǎo)通，此時(shí)VBOOT的電壓通過RBOOT和內(nèi)部電路放電，放電時(shí)間為Ton（上MOS管）。找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城

自舉電容充電過程如圖：

下MOS管導(dǎo)通時(shí)開始充電，充電電壓對時(shí)間的關(guān)系如公式一所示：

Vcboot_max = V0 + VCC x [1–exp (-Toff/RC)]；

充電電流對時(shí)間的關(guān)系如公式二所示：

I = CdU/dT = C x △Vcboot/Toff。

接下來看一下其放電過程：上MOS管導(dǎo)通時(shí)開始放電，放電電壓對時(shí)間的關(guān)系如公式三所示：

Vcboot_min = exp [ -Ton/ (Rtotal x C) ] x Vcboot_max

放電電流對時(shí)間的關(guān)系如公式四所示：

I = CdU/dT = C x △Vcboot/Ton

至此我們已經(jīng)掌握自舉驅(qū)動(dòng)電路的“竅門”。

應(yīng)該如何正確地選擇合適的電容、電阻呢

電容的選型主要基于其耐壓值和容量大小。耐壓值要大于等于VCC減去二極管和下MOS管的導(dǎo)通電壓。驅(qū)動(dòng)電路上有其他功耗器件由該電容供電，所以要求電容上的電壓下跌最好不要超過原先值的10%，這樣才能保證驅(qū)動(dòng)電壓。

由以上限制和公式三可推出需要Ton <= （Rtotal x C）x ln0.9。由該式可知Ton的最大值與自舉電容和自舉電阻的大小有關(guān)。如果容值太小，其兩端的電壓降會(huì)過大，會(huì)出現(xiàn)占空比無法展開的情況。但是容值也不能太大，太大的電容會(huì)導(dǎo)致最小Toff變大，電容充不滿電也會(huì)導(dǎo)致占空比無法展開，并且會(huì)導(dǎo)致二極管在充電的時(shí)候沖擊電流過大。

了解完電容后，自舉電阻該怎么選型呢?

自舉電阻的電壓等于充電電流乘以其阻值，所以其耐壓值要大于最大充電電流乘以其阻值；同樣自舉電阻的阻值會(huì)影響自舉電容充電時(shí)間，也會(huì)影響占空比, R越大，所需充電時(shí)間越長。同時(shí)自舉電阻阻值的增加會(huì)降低上MOS管的驅(qū)動(dòng)電壓，增加Cgs的充電時(shí)間，從而降低上MOS管導(dǎo)通時(shí)的電壓電流的變化率和SW波尖峰。

圖注：自舉電阻為0Ω時(shí)，SW的測試波形

將電阻增大到45Ω時(shí)，可以明顯看出自舉電阻越大，SW波上升斜率越小，同時(shí)SW的尖峰越小，驗(yàn)證了前面的結(jié)論。

圖注：電阻增大到45Ω時(shí)，SW的測試波形

審核編輯 黃宇