我們在介紹 60V、3.5A 工業(yè)級 Buck 轉(zhuǎn)換器 RTQ6363 的時候有讀者詢問自舉電容為什么會取值 0.1µF,當時沒有細聊此問題,最近我利用閑暇時間作了一些公式的推導(dǎo),得到一些可作計算依據(jù)的公式,現(xiàn)在就把這個推導(dǎo)過程和相關(guān)的結(jié)果分享給有需要的讀者參考。
先來看看 RTQ6363 的應(yīng)用電路圖:
注意了解自舉電容所處的位置,再來看看 RTQ6363 的內(nèi)部電路框圖:
再結(jié)合 Buck 電路的工作原理,便可知道自舉電容 CBOOT 和上橋開關(guān) MOSFET 輸入電容之間的關(guān)系是怎么樣的,這成為我們進行公式推導(dǎo)的基礎(chǔ)。
當上橋截止、外接續(xù)流二極管導(dǎo)通的時候,SW 節(jié)點與 GND 電位相同(這里忽略續(xù)流二極管的導(dǎo)通壓降以簡化問題),內(nèi)部穩(wěn)壓器通過二極管對 CBOOT 充電,我們假設(shè)其充滿電壓為 U,同時假設(shè) CBOOT 的容量為 C,則其中儲存的能量為
上橋?qū)ǖ倪^程是利用 CBOOT 中的儲能對上橋開關(guān) MOSFET 輸入電容(假設(shè)其容量為 dC)充電的過程,最后這兩個電容里的電壓將會相等。假設(shè) CBOOT 在此階段沒有得到任何能量的補充,則這個能量的分配過程將會造成 CBOOT 電壓的下降,其下降量為 dU,于是可以計算出這兩個電容的總儲能為
很顯然,前后兩次計算得到的電容儲能是相等的,所以有
于是便有
消去等式兩側(cè)的相同項后有
最后得到關(guān)于 dU 的一元二次方程:
根據(jù)一元二次方程解的公式 ,有
因為不可能有 dU > U,所以只有下述答案是合理的:
這個公式告訴我們的結(jié)論是:C 的值越大、dC 的值越小,則 dU 越小。假如 dC 是 C 的十分之一、U = 5V,則 dU = 0.233V,將此數(shù)據(jù)用到具體的電路上,其意義便是當自舉電容 CBOOT 的容量是上橋開關(guān)輸入電容的 10 倍時,驅(qū)動上橋開關(guān)導(dǎo)通的過程所造成的自舉電容電壓下降約為 0.233V,此數(shù)據(jù)越小,則上橋開關(guān)的導(dǎo)通程度越高,對下一段自舉電容充電時間的要求也越低。
如果需要在定好上橋驅(qū)動電壓的情況下去選擇自舉電容的容量,公式推導(dǎo)過程就要從另外一個角度進行:
C 的值與 dC 的值成正比,這說明上橋開關(guān)輸入電容的值越大則自舉電容的值也要越大。
有了上述的計算公式,我們常??吹降?0.1µF 自舉電容量就是可以被理解的一個選擇了,因為很多 MOSFET 的輸入電容量都在幾個 nF 以內(nèi),集成在 IC 內(nèi)部的開關(guān)可能還有更小的輸入電容,雖然陶瓷電容的實際容量會隨著工作電壓的不同而發(fā)生變化,但其變化量應(yīng)該都在可以接受的范圍內(nèi),其剩余的實際容量還是要比上橋開關(guān)的輸入電容大很多,滿足需求應(yīng)該是有保障的。
在實際的電路中,當由 CBOOT 向上橋開關(guān)的輸入電容充電時,內(nèi)部穩(wěn)壓電路仍然在向 CBOOT 供電,也在向上橋的驅(qū)動電路供電。當上橋?qū)▽?dǎo)致其源極即 SW 節(jié)點電壓上升以后,BOOT 節(jié)點的電壓也被抬升了與輸入電壓相同的幅度,內(nèi)部穩(wěn)壓器已經(jīng)不可能再給 CBOOT 供電,這時候的驅(qū)動電路仍然需要消耗電流,此電流是由 CBOOT 的儲能提供的,此行為將會造成 CBOOT 的電壓降低,時間長了也會造成其電壓太低的結(jié)果,通過驅(qū)動電路與之相連的上橋開關(guān)的導(dǎo)通程度也會受到影響,這就是為什么 RTQ636x 系列器件都會有 BOOT 欠壓保護設(shè)計的原因,而且也會有在輕載情況下主動將 SW 與地接通以實現(xiàn) CBOOT 復(fù)充電的設(shè)計。上面的公式推導(dǎo)將這些過程中的充放電都忽略了,目的是要將問題簡化到便于分析的程度,只要能讓我們對自舉電容參數(shù)的來歷有個了解便可。同時也需要注意到的是簡化會造成理論計算的結(jié)果和實際的表現(xiàn)是不完全一致的,如果我們?nèi)ビ^察實際的電路波形,你看到的實際數(shù)據(jù)將會與計算結(jié)果有所差異,所以就不要有太高的精度要求。
轉(zhuǎn)載自 RichtekTechnology。