連載系列：立锜科技60V、3.5A 工業(yè)級(jí) Buck 轉(zhuǎn)換器 RTQ6363 自舉電路的工作原理

我們最近涉及的話題都是關(guān)于 60V 工業(yè)級(jí) Buck 轉(zhuǎn)換器 RTQ6363 的，它的負(fù)載能力為 3.5A，如果需要其他的規(guī)格，還有 RTQ6360~RTQ6365 等可選，最小的負(fù)載能力為 0.5A，最大為 5A。

RTQ6363 提供兩種封裝形式，因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%BC%95%E8%84%9A/">引腳數(shù)的不同便有功能上的小差異，而使用起來(lái)最簡(jiǎn)單的是 PSOP-8 封裝，相應(yīng)的應(yīng)用原理圖大概如下圖所示：

這只是一個(gè)概念性質(zhì)的圖片，實(shí)際的參數(shù)需要根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)確定，規(guī)格書(shū)里有很多可供參考的例子，讀者需要時(shí)可以到那里去抓取，我們今天的話題是想看看上橋及其周邊電路是如何工作的，由此了解自舉電路的工作原理和應(yīng)用中可能遇到的問(wèn)題及其解決方案，為有疑問(wèn)的讀者解惑，兌現(xiàn)我對(duì)某位讀者的承諾，希望也能順便幫到有需要的其他人。

在上圖中，RTQ6363GSP 是用一個(gè)方框來(lái)代表的，已經(jīng)集成了的上橋開(kāi)關(guān)位于引腳 VIN 和 SW 之間，但這兩個(gè)點(diǎn)只是構(gòu)成開(kāi)關(guān)的 MOSFET 的漏極和源極，這個(gè)管子的柵極是和由 BOOT 端供電的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器連接在一起的，規(guī)格書(shū)中截取的部分框圖顯示出了相關(guān)的電路結(jié)構(gòu)：

在工作過(guò)程中，Buck 轉(zhuǎn)換器的上橋開(kāi)關(guān) High-Side MOSFET 只有兩種狀態(tài)，不是導(dǎo)通便是截止，讓它處于放大區(qū)的狀況是要被竭力避免的，因?yàn)樗谀菚r(shí)候的表現(xiàn)就像一只電阻，電流流過(guò)它時(shí)會(huì)形成很大的損耗，所以對(duì)上橋進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的電路就必須要有足夠的驅(qū)動(dòng)能力即電流吐納能力要大，以便能夠在開(kāi)關(guān)過(guò)程中快速跨過(guò)導(dǎo)通與截止之間的中間狀態(tài)，但這種能力也不能太強(qiáng)，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)的快速通斷會(huì)形成較大的? EMI 問(wèn)題，實(shí)用中的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)都是折中以后的結(jié)果。

驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力要足夠強(qiáng)，除了電路本身要強(qiáng)大，它的供電電壓也要足夠高，這是由 BOOT 端的供電來(lái)保證的。從框圖看，BOOT 端的供電來(lái)自 IC 內(nèi)部的一個(gè) Regulator，其輸出電壓在大部分的設(shè)計(jì)中都在 5V 左右，它通過(guò)一個(gè)二極管流向 BOOT，再被 BOOT 外接的電容 CBOOT 儲(chǔ)存起來(lái)，在驅(qū)動(dòng)器需要時(shí)即可向它提供電能，這樣做要比直接由穩(wěn)壓器的輸出給它供電有效得多，同時(shí)還可以利用自舉的作用解決 MOSFET 導(dǎo)通以后的狀態(tài)維持問(wèn)題。

從應(yīng)用電路原理圖可以看到 CBOOT 的參考點(diǎn)并非 GND，它的另一端連接在 SW 上。在穩(wěn)態(tài)工作期間，SW 可以有三種電壓狀態(tài)：當(dāng)上橋?qū)〞r(shí)，VSW=VIN；當(dāng)上橋截止、續(xù)流二極管導(dǎo)通時(shí)，VSW=0V–VD=–VD；當(dāng)上橋截止、續(xù)流二極管截止時(shí)，VSW=VOUT。

如果輸出電壓很低，例如輸出電壓為零的剛剛加電時(shí)，還有輸出電壓低于內(nèi)部穩(wěn)壓器輸出電壓的情況下，假如上橋和續(xù)流二極管都處于截止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)的 VSW=VOUT 也是處于很低的狀態(tài)，內(nèi)部穩(wěn)壓器的輸出即可通過(guò)二極管后對(duì) CBOOT 進(jìn)行充電。如果這樣的時(shí)間長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，最后便有 CBOOT 所充電壓略低于內(nèi)部穩(wěn)壓器輸出電壓–二極管正向?qū)▔航?–VOUT 的結(jié)果，但是這種狀況在工作中存在的時(shí)間其實(shí)是很短的，再加上輸出電壓 VOUT 的存在，導(dǎo)致這種情況下充入 CBOOT 的電壓幾乎不能滿(mǎn)足應(yīng)用的需要，實(shí)際上也就沒(méi)有什么實(shí)用的意義，所以不需要被納入考慮的范疇。

正常工作情況下的 CBOOT 被充電都發(fā)生在上橋截止、續(xù)流二極管導(dǎo)通的時(shí)間段，此時(shí)有 VSW=0V–VD=–VD，由續(xù)流二極管導(dǎo)致的 SW 節(jié)點(diǎn)負(fù)電壓在充電回路中所起的作用應(yīng)該可以把內(nèi)部穩(wěn)壓器輸出端串聯(lián)的二極管的壓降抵消掉，所以充電的最后結(jié)果就是 VCBOOT= 內(nèi)部穩(wěn)壓器輸出電壓。由于內(nèi)部穩(wěn)壓器的供電能力通常是很有限的，再加上充電回路上電阻的存在，這個(gè)充電過(guò)程還是符合 RC 串聯(lián)電路上電容電壓變化過(guò)程的指數(shù)規(guī)律，充電時(shí)間越長(zhǎng)則越是接近充電電源的電壓，時(shí)間太短則可能出現(xiàn)充電不足的問(wèn)題，這是很多轉(zhuǎn)換器會(huì)在工作占空比較高的應(yīng)用中要求增加另外的自舉電容充電電路的原因。具體到 RTQ6363 上，需要增加充電電路的占空比閾值是 65%。

由于輸入、輸出間最小壓差的存在，當(dāng) RTQ6363 的輸入電壓較低時(shí)，內(nèi)部穩(wěn)壓器的輸出電壓會(huì)隨著輸入電壓的降低而變低，自舉電容充電期間能夠充入的電能自然也就變少了。因?yàn)檫@個(gè)原因，便有 RTQ6363 要求在輸入電壓低于 5.5V 時(shí)要給自舉電路增加另外的充電電路。

如果沒(méi)有外加的充電電路，設(shè)計(jì)中能向自舉電容 CBOOT 充電的電源便只有內(nèi)部穩(wěn)壓器，其最高電壓便只有 5V 左右，規(guī)格書(shū)中所規(guī)定的 BOOT vs SW 間的最大電壓范圍 -0.3V~6V 便永遠(yuǎn)沒(méi)有被超越的可能，但在引入了外部充電電路以后就很難說(shuō)了，因?yàn)樗褂玫耐獠侩娫词怯稍O(shè)計(jì)者引入的，我們無(wú)法對(duì)其進(jìn)行控制，只能告訴設(shè)計(jì)者，你能給這兩個(gè)端子間施加的電壓差必須處于這個(gè)范圍內(nèi)，超出了就可能有危險(xiǎn)會(huì)發(fā)生，這種危險(xiǎn)造成的危害屬于 EOS 損傷。

如果 RTQ6363 工作在負(fù)載比較重的電感電流連續(xù)模式下，它的每個(gè)工作周期便被上橋?qū)〞r(shí)間和續(xù)流二極管導(dǎo)通的時(shí)間占滿(mǎn)了。在這種情況下，只要屬于上橋?qū)ǖ臅r(shí)間占空比低于 65%，輸入電壓也沒(méi)有低于 5.5V，給 CBOOT充電的電源就是充足的，充電的時(shí)間也足夠，此時(shí)就沒(méi)有必要添加另外的充電電路。

假如 RTQ6363 工作于負(fù)載很輕的電流非連續(xù)模式下，它的上橋只需要很少的導(dǎo)通時(shí)間即可滿(mǎn)足輸出穩(wěn)定的需求，為電感續(xù)流的二極管也會(huì)很快進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，SW 的電壓便會(huì)在很多時(shí)候都處于與輸出電壓相等的狀態(tài)，在這種狀況下便可能出現(xiàn) CBOOT 充電不足的問(wèn)題，即使充足了也可能會(huì)出現(xiàn)電量不足的問(wèn)題，因?yàn)樯蠘虻尿?qū)動(dòng)電路總是會(huì)有一些消耗的，即使不需要開(kāi)通上橋時(shí)也是如此，所以 RTQ6363 便設(shè)計(jì)了一個(gè) BOOT 電壓不足的檢測(cè)功能，它在遇到這種狀況時(shí)會(huì)自動(dòng)將連接在 SW 和 GND 之間的一個(gè)內(nèi)部 MOSFET 打開(kāi)以拉低 SW 的電位，使對(duì) CBOOT 的充電能夠得到實(shí)施，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)足其電壓的效果。這里提到的內(nèi)部 MOSFET 很容易被認(rèn)為是內(nèi)部集成的續(xù)流開(kāi)關(guān)，至少在我接觸開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的早期就是這樣認(rèn)為的，這讓我將非同步的 Buck 轉(zhuǎn)換器當(dāng)成了同步 Buck 轉(zhuǎn)換器，實(shí)際上卻完全不是那么回事。

CBOOT 為什么會(huì)連接在 BOOT 和 SW 之間而不是 BOOT 和 GND 之間呢？這是因?yàn)樯蠘虻膮⒖键c(diǎn)是 SW，而這個(gè)點(diǎn)的電壓是變化的。當(dāng)上橋的驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出一個(gè)高電平時(shí)，它能使上橋由截止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，這將使得 VSW=VIN，假如 BOOT 的電壓是相對(duì)于 GND 而存在的，VSW=VIN 將使上橋的柵源電壓差降低或是變?yōu)樨?fù)值，上橋的導(dǎo)通狀態(tài)便不能維持，而將 CBOOT 連接在 BOOT 和 SW 之間時(shí)，當(dāng) VSW 上升為 VIN 的時(shí)候，CBOOT 的參考電位便升高到了 VIN，而 CBOOT 兩端的電壓是不能發(fā)生突變的，BOOT 端的電壓也就自然上升了 VIN 而大約成為 5V+VIN，上橋柵極的電位也上升了 VIN，使得它相對(duì)于 SW 的電位差一點(diǎn)都沒(méi)有變化，上橋的導(dǎo)通狀態(tài)便得以維持。

當(dāng)需要讓上橋截止的時(shí)候，上橋驅(qū)動(dòng)器只需要將其輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，上橋開(kāi)關(guān)自然截止，此時(shí)已經(jīng)充入電感的電流還會(huì)繼續(xù)流動(dòng)，這將導(dǎo)致 SW 處的電壓下降，到其低于地電位后便有續(xù)流二極管的導(dǎo)通使電感電流能夠持續(xù)流動(dòng)，SW 節(jié)點(diǎn)的電位便維持在 –VD 上，相應(yīng)的 BOOT 處的電位也自然回到了 5V，若有不足則會(huì)有內(nèi)部穩(wěn)壓器向其補(bǔ)充電能，做好下一次再驅(qū)動(dòng)上橋?qū)ǖ臏?zhǔn)備。

在上述過(guò)程中，由于 CBOOT 兩端電壓不會(huì)突變的緣故，BOOT 及其內(nèi)部連接電路的電壓會(huì)隨著 SW 電位的變化而相應(yīng)變化，促使其發(fā)生變化的信號(hào)也是它自己發(fā)出的，這就很像是自己把自己舉起來(lái)了，所以 CBOOT 被稱(chēng)為自舉電容。連接在 BOOT 和內(nèi)部穩(wěn)壓器或外部 5V 電源之間的二極管是單向開(kāi)關(guān)，其作用之一是形成充電的通路，二是在 BOOT 電位被舉升了時(shí)防止 CBOOT 中的電能反向流動(dòng)，所以是必須要有的元件。

當(dāng)使用外部電源為 RTQ6363 的自舉電容充電時(shí)，這個(gè)電源的電壓最好是 5V 的。這個(gè) 5V 既可是系統(tǒng)里存在的其他 5V 電源，也可以是 RTQ6363 自身的輸出。假如系統(tǒng)里沒(méi)有可用的 5V，也可使用其他的電壓源經(jīng)過(guò)分壓以后來(lái)形成，我們?cè)趹?yīng)用中可以靈活地進(jìn)行設(shè)計(jì)，只要符合基本的原理既可，思想上不要有太多的限制。

雖然本文涉及到的器件型號(hào)是 RTQ6363，但是相關(guān)的原理是通用的，可以被套用到別的器件上，需要變化的可能就是一些具體的參數(shù)，這不應(yīng)該成為理解的障礙。

轉(zhuǎn)載自RichtekTechnology。