在中大功率buck電路中，由于需要盡可能地減小mosfet的導(dǎo)通電阻，以便提高效率，所以會采用NMOS作為上管，然而，驅(qū)動NMOS需要將門級電壓抬高到高于VSW(Vin)+VGS，所以此時(shí)會用到bootstrap電路，本文就詳細(xì)探討一下bootstrap電路的這個(gè)話題。

一.為什么需要bootstrap電路

圖1 BUCK電路中的PMOS和NMOS上管

首先，我們看一下兩種BUCK電路的上管，圖1左側(cè)是采用PMOS的上管，由于其門極電壓VGS是負(fù)電壓驅(qū)動，因此只要將Gate拉到地電平就可以驅(qū)動導(dǎo)通，而右側(cè)的采用NMOS的BUCK電路上管，必須要通過圖中所示bootstrap電路，即電容和二極管串聯(lián)電路，來達(dá)到抬高上管驅(qū)動電壓的效果。這里還有一個(gè)原因需要說明，當(dāng)達(dá)到同樣的Rds-on時(shí)，NMOS比PMOS的成本要低，這也是采用NMOS作為上管的原因。

有一些開關(guān)電源芯片將bootstrap電容及二極管集成進(jìn)了芯片中，但是有一些芯片需要外部接bootstrap電容和二極管，甚至于根據(jù)具體需要設(shè)計(jì)bootstrap電路，因此需要考慮到一些典型問題。

二.實(shí)際產(chǎn)品的bootstrap電路示例

圖2 典型開關(guān)電源芯片

MCP16301是一個(gè)典型的，常用于大功率電源或者嵌入式系統(tǒng)的輔助電源芯片，其封裝為SOT23-6.

圖2 MCP16301的封裝

圖3 集成上管NMOS開關(guān)

從其主要feature來看，明確指明，如圖3所示，其集成的上管是NMOS的開關(guān)，導(dǎo)通電阻為460mohm。

圖4 典型bootstrap電路

當(dāng)輸出電壓比較適中時(shí)，也就是說，其電壓為3V-5.5V之間時(shí)，可以將輸出電壓拉到bootstrap電容上，在下管續(xù)流導(dǎo)通時(shí)給bootstrap電容充電，并且通過串聯(lián)二極管阻斷在上管導(dǎo)通時(shí)，bootstrap電容反向?yàn)檩敵龆酸尫拍芰俊?/span>

圖5 bootstrap電路的影響參數(shù)

Bootstrap電路采取不同的應(yīng)用參數(shù)，比如不同的boot驅(qū)動電壓等，是否對電源芯片的性能有所影響呢？從圖5上看，在規(guī)格書電氣特性中可知，上管NMOS的導(dǎo)通電阻, 是在3.3V的bootstrap電壓下測得的，所以采用不同的bootstrap電壓會影響上管的導(dǎo)通電阻，從而影響效率。而不同的bootstrap驅(qū)動電壓對NMOS限流點(diǎn)也有一定影響。

圖6 bootstrap需要的pin腳

圖6中，我們根據(jù)bootstrap的相應(yīng)的pin，也就是boost pin的描述來看，bootstrap電容是接在SW和boost pin之間，為上管驅(qū)動NMOS提供電壓及能量。

三.bootstrap電路的啟動

電路在剛開始啟動時(shí)，bootstrap電容中并沒有存儲能量，所以需要用輸入電壓通過一個(gè)預(yù)調(diào)整電源給它預(yù)充電，如圖7所示箭頭部分路徑。

圖7 內(nèi)部框圖及booststrap pre-charge電路

由于此電路工作在非同步整流模式，因此，當(dāng)輕載時(shí)，上管開關(guān)占空比很小，電流上升也不大，最終導(dǎo)致二極管續(xù)流時(shí)的時(shí)間也很小，這會只給bootstrap電容充電一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間，這是bootstrap電路的最差工作情況。當(dāng)輸入電壓較高時(shí)，輸入預(yù)充調(diào)整器可以彌補(bǔ)bootstrap需要的電容能量。

四.多種bootstrap電路滿足多種工作狀態(tài)

當(dāng)輸出電壓在3V-5.5V之間時(shí)，輸出電壓可以作為合適電壓去在穩(wěn)態(tài)時(shí)給bootstrap電容充電，但是當(dāng)輸出電壓比較低時(shí)，就需要其它方式，如圖8所示。

圖8 輸入電壓很高輸出電壓很低時(shí)的自舉電路

如圖8中，輸入電壓很高，輸出電壓又很低時(shí)，此時(shí)不能通過輸出電壓給自舉電容充電，因此可以依靠輸入電源這條路徑，但是輸入電壓為12V,遠(yuǎn)超過NMOS需要的驅(qū)動電壓，因此需要在給自舉電容充電前降壓，此處可以通過串聯(lián)電阻RSH用穩(wěn)壓管來實(shí)現(xiàn)降壓。

圖9 輸入電壓很高輸出電壓很低時(shí)外部電壓自舉充電

當(dāng)然，除了輸入電源，也可以通過外部電源去給芯片bootstrap電容充電，如圖9所示，不過這會增加一路外部電源需求，如果電路中恰好有這一路電源，則可以拿來用。

那么，如何計(jì)算串聯(lián)電阻的阻值呢？

首先，我們需要得到流過串聯(lián)電阻的電流，如圖10所示，為流過串聯(lián)電阻的部分電流，即充電bootstrap的電流，在5V驅(qū)動時(shí)為0.8mA典型值，由此得到最大的充電電流值IBOOST.

圖10 bootstrap電容充電電流

圖11 求解串聯(lián)電阻

穩(wěn)壓管自身的電流約為1mA(以穩(wěn)壓管規(guī)格書為準(zhǔn)），因此可以求得串聯(lián)電阻的阻值，采用最小輸入電壓計(jì)算，以確保穩(wěn)壓電路在全電壓范圍內(nèi)可以正常運(yùn)行，如圖11所示。

圖12 串聯(lián)穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)高輸出電壓充電bootstrap電容

當(dāng)輸出電壓或者輸入電壓很高時(shí)，例如36V轉(zhuǎn)12V的DC/DC,也可以使用輸出電壓或者輸入電壓串接一個(gè)穩(wěn)壓管給bootstrap電容充電，如圖12，13所示。

圖13串聯(lián)穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)高輸入電壓充電bootstrap電容

五．Bootstrap電路的參數(shù)選擇

如前面所示，bootstrap電路的二極管用于給電容充電提供一個(gè)路徑，同時(shí)，它還避免當(dāng)下管關(guān)閉上管開通時(shí)，bootstrap電容能量反向流回充電源。因此普通的快恢復(fù)二極管1N4148就可以滿足這個(gè)需求，其耐壓選擇只要超過輸入電壓Vin，且留一定裕量即可。

當(dāng)bootstrap電路的充電電壓較低時(shí)，為了不減小電容上的真實(shí)電壓，則可以使用肖特基二極管，盡可能地減小串聯(lián)二極管壓降，增加上管NMOS的門級驅(qū)動電壓。

Bootstrap電容是為上管NMOS驅(qū)動電路補(bǔ)充驅(qū)動能量，需要bootstrap電容能夠存儲足夠的能量去滿足完全驅(qū)動NMOS上管，推薦使用0.1u的X7R電容即可，由于NMOS驅(qū)動電壓不會超過5.5V,所以電容耐壓需要確保超過這個(gè)電壓，且有一定裕量。

如果應(yīng)用場景是噪聲敏感的場景，那么可以在bootstrap電容上串聯(lián)一個(gè)幾十ohm的電阻，避免開關(guān)噪聲進(jìn)入上管驅(qū)動電路，規(guī)格書推薦值為82ohm，RC的轉(zhuǎn)折頻率約為20k，則開關(guān)頻率的噪聲可以有足夠的衰減。

六.bootstrap電路的仿真

圖14 bootstrap電路的仿真

仿真電路圖如圖14所示，輸入電壓設(shè)為12V,輸出電壓設(shè)為4.8V,輸出電流為300mA，輸入源Vin和使能電壓EN均使用階躍脈沖，如圖15所示。

圖15 輸入電壓源設(shè)置

圖16 輸入使能源設(shè)置

如圖16所示，輸入使能源delay時(shí)間為200u，輸入源delay時(shí)間為40u，便于先上電Vin，再上電EN信號啟動。

我們做瞬態(tài)仿真，觀察bootstrap電容兩側(cè)電壓。

圖17 瞬態(tài)仿真結(jié)果

圖18 bootstrap電容電壓

從圖18仿真結(jié)果細(xì)節(jié)來看，VSW為開關(guān)節(jié)點(diǎn)，Vbootstrap電容在VSW為高時(shí)相應(yīng)抬高，VSW為低時(shí)，相應(yīng)變低，在整個(gè)開關(guān)周期中，VSW和Vbootstrap相減得到的差分電壓是恒定的4.5V，這就是上管NMOS的驅(qū)動電壓。

總結(jié)，通過分析bootstrap電路的穩(wěn)態(tài)及啟動工作原理，各種情況的自舉電路變形，bootstrap的電路參數(shù)設(shè)計(jì)，最后通過仿真驗(yàn)證了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的波形，對理解開關(guān)電源bootstrap電路有一定幫助。