为什么常见降压式Buck电路中需要接C1电容?

2024-03-29

为什么常见降压式Buck电路中需要接C1电容?

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C1电容的作用

自举引导,连接在SW(开关管引脚)和BST引脚之间的电容器需要在高压侧开关驱动器上形成浮动电源,在需要开通高压侧开关管时给开关管供给驱动能量或驱动功率。

原理认识

(1)半桥(Half-Bridge)结构:若Q1是上管,那么对应Q2就是下管,在电源中极为常见

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(2)Buck电路中的同步整流

High Side:高侧,简称HS,是半桥结构中与电源输入正连接的开关管相关的地方,如果特指开关管则指上管

Low Side:低侧,简称LS,是半桥结构中与电源参考地连接的开关管的地方,如果特指开关管则指下管

如下是带有同步整流(SR)的Buck电路,这里同步整流是指将原来的续流二极管用有源器件替代,以减少通态损耗,这里示意图中我们用增强型MOSFET替代续流二极管,图中是Q2。

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(3)半桥驱动的问题

在一个供电系统中(这里指只有一个参考地的情况),由于半桥中两只管子连接结构的关系,上管的参考地必然是浮动的,只有下管具有供电系统的参考地。那么引出问题就是如何用具有一个参考地的电源驱动上管的问题了,因为没有回路是无法驱动开关管的。

如下图,上管Q1的源极(S)的电位在输入正电压VB和和参考0(忽略管压降)之间变化,当然我们要明白Q1和Q2使互补开通的,不能同时开通,同时开通就会让桥臂短路产生大电流而烧坏开关管。

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通常情况下,VDD是给控制芯片供电的电源,它的来源是输入电源VB通过降压得到的一个稳定值,所以在Q2关断,需要开通Q1时,如果要用以“参考地0”的电源去开通上管Q1,这是不可行的(VDD小于VB,),因为当下管Q2关断后,没有流通的回路,Q1门极上是没有办法被充电的。

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(4)自举悬浮供电电路

自举引导,连接在SW(开关管引脚)和BST引脚之间的电容器需要在高压侧开关驱动器上形成浮动电源,在需要开通高压侧开关管时给开关管供给驱动能量或驱动功率

①自举电路构成:二极管D1和电容C1

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②自举工作原理—充电

Q1和Q2依旧是互补工作,当下管Q2闭合时,VDD通过二极管D1给C1充电,通过Q2回到参考地0,形成完整的回路,充电路径如下橙色虚线指示的部分

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③自举工作原理—悬浮电容做为电源给上管驱动供电

Q2关断后,C1已经被充电,电荷存储在C1中,形成独立的供电电源,在需要开通Q1时,C1给驱动电路供电,打开Q1,C1供电回路如下蓝色的曲线。

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常用半桥驱动芯片或者Buck电源管理芯片驱动高边侧悬浮管

(1)半桥驱动芯片

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实际外围电路构成,CBOOT相当于自举西储能电容

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(2)带有同步整流功能的Buck电源管理芯片的自举悬浮驱动

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实际电路,多数只要外加一个储能电容即可,二极管被集成在芯片中

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关于C1储能电容的容值,在小功率DC-DC中,一般芯片厂家都会推荐一个电容值,使用即可(计算是根据驱动功率或MOSFET驱动电容选择计算),如下

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但是,有些情况这种自举会失效,也就是无法开通高边侧的开关管,加入低边侧开关管开通时间很短或者开关管驱动功率需求高,开通时间短则C1或者CBST电容还未被充电至开通开关管的电压或者存储电量过少不能满足驱动功率,这个我们也会碰到,这时候就需要在驱动上想办法了,如下是通过变压器变换两组电源分别给上管和下管驱动供电。

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如下便是,自举已经无法满足高边侧上管供电需求时,只能采用另一组不同参考地的电源去供电的现象

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