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5.10.4 自舉電容的選型(1)

(1) High-Side MOSFET QG = 85 nC計算實例1

(2) LM5116MH/NOPB典型應用電路的自舉電容計算實例2

3. 自舉電容上的總電荷量大于等于HS-MOSFET柵極總電荷量的20倍

4. 總結

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(1) High-Side MOSFET QG = 85 nC計算實例1

某BUCK轉換器的High-Side MOSFET的柵極電荷量QG = 85 nC（即 Q_G(TOTAL) =85nC ）

驅動電壓VGS = 10 V

上升時間 tR = 35 ns 

VDDA = 12 V at 3 mA（即 V_(CBOOT,INIT) = 12V ， I_(LK(TOTAL)) = 3mA ）

FPWM = 200 kHz, D = 10% to 90% ：即最大占空比為90%，開關周期為1/200kHz（最大導通時間為 90% / 200kHz = 4.5*10^(-6)s ）

根據公式(5.70)計算自舉電容可取的最小值為(5.72)

當自舉電容取值 C_BOOT = 180nF 時，對應的電壓跌落為 ?V_BOOT = 98.5nC / 180nF = 0.547V 。

當自舉電容取值 C_BOOT = 470nF 時，對應的電壓跌落為 ?V_BOOT = 98.5nC / 470nF = 0.209V 。

當自舉電容取值 C_BOOT = 1000nF 時，對應的電壓跌落為 ?V_BOOT = 98.5nC / 1000nF = 0.099V 。

在此算例中，自舉電容選擇180nF即可滿足設計需求。

(2) LM5116MH/NOPB典型應用電路的自舉電容計算實例2

圖 5.46 LM5116MH/NOPB芯片Bootstrap UVLO電路框圖及相關參數

圖 5.47 LM5116MH/NOPB典型應用電路

根據高邊開關管MOSFET Si7850規(guī)格書，其柵極總電荷量最大值為 Q_G(TOTAL) = 27nC = 27×10^(-9) C ，柵極-源極的漏電流最大值為 I_(LK,GS) = 100nA = 0.1×10^(-6) A 。

根據自舉二極管CMPD2003規(guī)格書，其反向漏電流最大值為 I_(LK,DIODE) = 100uA = 100×10^(-6) A ，在正向導通電流200Ma條件下的正向導通壓降最大值為 V_F = 1.25V 。

根據降壓控制器LM5116規(guī)格書，HB – SW = 15V 條件下，HB引腳的偏置電流最大值為200uA，這就是降壓控制器LM5116內部自舉電路的靜態(tài)電流，即 I_(Q,BOOT) = 200uA = 200×10^(-6) A 。

該器件規(guī)格書中未給出自舉電路的漏電流 I_(LK,BOOT) ，此處忽略不計，即 I_(LK,BOOT) = 0 。

自舉陶瓷電容MLCC（C1），其漏電流通常忽略不計，即 I_(LK,CAP) = 0 。

自舉電源（PIN16）典型值為VCC = 7.4V ，所以自舉電容或HB引腳上的初始電壓應該為 V_(CBOOT,INIT) = 7.4V - 1.25V = 6.15V 。

圖5.46所示，通常內置電源VCC和自舉二極管Dboot的降壓轉換器或控制器芯片的規(guī)格書都會在“電氣特性（Electrical Characteristics）”中提供 V_(CBOOT,UVLO) 參數，如LM5116同步降壓控制器芯片規(guī)格書中給定的欠壓閉鎖閾值最大值為 V_(CBOOT,UVLO,MAX) = 4.7V 。

輸入電壓為 VIN = 7 V to 60 V，輸出電壓為VOUT = 5 V，最大負載電流為IOUT(MAX) = 7 A，開關頻率為FSW = 250 kHz（對應的開關周期為1/250kHz = 4*10^(-6)s），所以該電路可能的最大占空比為 D_MAX = 5 / 7 = 0.71。

根據公式(5.68)計算自舉電容可取的最小值為

根據公式(5.71)計算自舉電容可取的最小值為

當自舉電容取值 C_BOOT = 100nF 時，對應的電壓跌落為 ?V_CBOOT = 27.852nC / 100nF = 0.278V 。

當自舉電容取值 C_BOOT = 220nF 時，對應的電壓跌落為 ?V_CBOOT = 27.852nC / 220nF = 0.127V 。

當自舉電容取值 C_BOOT = 1000nF 時，對應的電壓跌落為 ?V_CBOOT = 27.852nC / 1000F = 0.028V 。

綜上所述：①在LM5116MH典型應用電路中，推薦自舉電容的取值在220nF及以上。②參考“5.4.3 反饋電阻取值實例TPS54561DPRT”章節(jié)，選擇的評價標準不同，得到高邊反饋電阻和低邊反饋電阻的取值范圍就不同；這里類似，對比公式(5.73)和(5.74)結果，評價標準不同，也會導致自舉電容可取的最小值不同。

3. 自舉電容上的總電荷量大于等于HS-MOSFET柵極總電荷量的20倍

在TOFF期間，自舉電容充電完成后的電荷量可以使用 ?Q=C×?V 表示為

如果自舉電容上的總電荷量大于等于高邊開關管MOSFET總柵極電荷量的20倍，即

那么

可得

所以

其中，V_(CBOOT,INIT) 是自舉電容上的初始電壓，在忽略二極管壓降的情況下，等于偏置電源 VCC ；Q_G(TOTAL)  是高邊開關的柵極總電荷量。

從前述的“計算實例1”可知，總驅動電路電荷量13.5nC僅占所需總電荷量98.5nC的13.7%；從“計算實例2”可知，總驅動電路電荷量0.852nC僅占所需總電荷量27.852nC的3%。由此可見，與高邊開關管MOSFET的總柵極電荷量相比，總驅動電路電荷量是可以忽略。

將上述公式(5.79)與公式(5.70)對比可知，將公式(5.70)中的總驅動電路電荷量 Q_(LK(TOTAL)) 忽略后得到的結果，與公式(5.79)是相同的。

所以，自舉電容取值的三個原則：“自舉電容放電后的電壓跌落 ?V_BOOT 不超過允許的最小值 VCC - V_(F,DBOOT,MAX) - V_(BOOT,UVLO,MAX)”、“自舉電容上的總電荷量大于等于高邊開關管MOSFET總柵極電荷量的20倍 ”和“自舉電容放電后的電壓跌落 ?V_BOOT 不超過 V_BOOT 電壓的5%”，它們本質上是等同的。

4. 總結

通過對比不同BUCK芯片推薦的參考電路可知，不同的BUCK芯片針對高邊MOSFET的自舉電容給出了諸如22nF、100nF；更有甚者，某些參考設計中給出了1uF電容量的自舉電容（這里就不點名了，不知道原廠工程師是否有過認真計算，還是僅根據經驗給出的），實際通過計算發(fā)現，100nF就夠了。

那么，BUCK電路中如何確定自舉電容的取值范圍呢？如前 如何選擇輸出電容ESR參數？ 中所述，任何不給公式的元器件選型都是耍流氓。

所以，本文給出了自舉電容取值的三個評價標準：

①“自舉電容放電后的電壓跌落 ?V_BOOT 不超過允許的最小值 VCC - V_(F,DBOOT,MAX) - V_(BOOT,UVLO,MAX)”

②“自舉電容上的總電荷量大于等于高邊開關管MOSFET總柵極電荷量的20倍 ”

③“自舉電容放電后的電壓跌落 ?V_BOOT 不超過 V_BOOT 電壓的5%”，

它們本質上是等同的。