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

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左側是采用PMOS的上管，由于其門極電壓VGS是負電壓驅動，因此只要將Gate拉到地電平就可以驅動導通，而右側的采用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電路，來達到抬高上管驅動電壓的效果。這里還有一個原因需要說明，當達到同樣的Rds-on時，NMOS比PMOS的成本要低，這也是采用NMOS作為上管的原因。

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

二.實際產品的bootstrap電路示例

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

圖2 MCP16301的封裝

圖3 集成上管NMOS開關

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，導通電阻為460mohm。

圖4 典型bootstrap電路

當輸出電壓比較適中時，也就是說，其電壓為3V-5.5V之間時，可以將輸出電壓拉到bootstrap電容上，在下管續流導通時給bootstrap電容充電，并且通過串聯二極管阻斷在上管導通時，bootstrap電容反向為輸出端釋放能量。

圖5 bootstrap電路的影響參數

Bootstrap電路采取不同的應用參數，比如不同的boot驅動電壓等，是否對電源芯片的性能有所影響呢？從圖5上看，在規格書電氣特性中可知，上管NMOS的導通電阻, 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通電阻，從而影響效率。而不同的bootstrap驅動電壓對NMOS限流點也有一定影響。

 

圖6 bootstrap需要的pin腳

圖6中，我們根據bootstrap的相應的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，bootstrap電容中并沒有存儲能量，所以需要用輸入電壓通過一個預調整電源給它預充電，如圖7所示箭頭部分路徑。

圖7 內部框圖及booststrap pre-charge電路

由于此電路工作在非同步整流模式，因此，當輕載時，上管開關占空比很小，電流上升也不大，最終導致二極管續流時的時間也很小，這會只給bootstrap電容充電一點點時間，這是bootstrap電路的最差工作情況。當輸入電壓較高時，輸入預充調整器可以彌補bootstrap需要的電容能量。

四.多種bootstrap電路滿足多種工作狀態

當輸出電壓在3V-5.5V之間時，輸出電壓可以作為合適電壓去在穩態時給bootstrap電容充電，但是當輸出電壓比較低時，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的自舉電路

如圖8中，輸入電壓很高，輸出電壓又很低時，此時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,遠超過NMOS需要的驅動電壓，因此需要在給自舉電容充電前降壓，此處可以通過串聯電阻RSH用穩壓管來實現降壓。

圖9 輸入電壓很高輸出電壓很低時外部電壓自舉充電

當然，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，如何計算串聯電阻的阻值呢？

首先，我們需要得到流過串聯電阻的電流，如圖10所示，為流過串聯電阻的部分電流，即充電bootstrap的電流，在5V驅動時為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 求解串聯電阻

穩壓管自身的電流約為1mA(以穩壓管規格書為準），因此可以求得串聯電阻的阻值，采用最小輸入電壓計算，以確保穩壓電路在全電壓范圍內可以正常運行，如圖11所示。

圖12 串聯穩壓管實現高輸出電壓充電bootstrap電容

當輸出電壓或者輸入電壓很高時，例如36V轉12V的DC/DC,也可以使用輸出電壓或者輸入電壓串接一個穩壓管給bootstrap電容充電，如圖12，13所示。

圖13串聯穩壓管實現高輸入電壓充電bootstrap電容

 

五．Bootstrap電路的參數選擇

如前面所示，bootstrap電路的二極管用于給電容充電提供一個路徑，同時，它還避免當下管關閉上管開通時，bootstrap電容能量反向流回充電源。因此普通的快恢復二極管1N4148就可以滿足這個需求，其耐壓選擇只要超過輸入電壓Vin，且留一定裕量即可。

當bootstrap電路的充電電壓較低時，為了不減小電容上的真實電壓，則可以使用肖特基二極管，盡可能地減小串聯二極管壓降，增加上管NMOS的門級驅動電壓。

 

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

如果應用場景是噪聲敏感的場景，那么可以在bootstrap電容上串聯一個幾十ohm的電阻，避免開關噪聲進入上管驅動電路，規格書推薦值為82ohm，RC的轉折頻率約為20k，則開關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，輸入電壓設為12V,輸出電壓設為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 輸入電壓源設置

圖16 輸入使能源設置

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

我們做瞬態仿真，觀察bootstrap電容兩側電壓。

圖17 瞬態仿真結果

圖18 bootstrap電容電壓

從圖18仿真結果細節來看，VSW為開關節點，Vbootstrap電容在VSW為高時相應抬高，VSW為低時，相應變低，在整個開關周期中，VSW和Vbootstrap相減得到的差分電壓是恒定的4.5V，這就是上管NMOS的驅動電壓。

總結，通過分析bootstrap電路的穩態及啟動工作原理，各種情況的自舉電路變形，bootstrap的電路參數設計，最后通過仿真驗證了關鍵節點的波形，對理解開關電源bootstrap電路有一定幫助。