nmos管的主回路电流方向为d极到s极,导通条件为vgs有一定的压差,即vg-vs>vth;pmos管的主回路电流方向为s极到g极,导通条件为vsg有一定的压差,即vs-vg>vth。故一般把nmos作为下管,s极接地,只要给g极一定电压即可控制其导通关断;把pmos作为上管,s极接vin,g极给个低电压即可导通。当然nmos管也可作为上管,但需要增加自举驱动电路。
对于一些拓扑,比如buck、boost、buck-boost这些用nmos作为上管的拓扑,就没办法直接用刚才说的只给g极一个电平来驱动。假如此时d极接vin,s极的电压不定,nmos管截止时为低电平,导通时接近高电平vin,需要板子上给g极一个更高的电压,但此时板子已无比vin更高的电平了,那么就可以采用自举驱动电路。
如图为用于驱动上mos管的电容自举驱动电路。该自举电容通过二极管接到vcc端,下接上mos管的s极。当驱动电路驱动下mos管导通时,vcc通过二极管、rboot、下mos管,对cboot充电。充电时间为下mos管的导通时间,我们定为toff(上mos管);当下管关断后,驱动电路导通上mos管,cboot的下端电压变为vin,由于电容两端电压不能突变,所以cboot上的电压自然就被举了起来。这样驱动电压才能高过输入电压,就能保持上管持续导通,此时vboot的电压通过rboot和内部电路放电,放电时间为ton(上mos管)。找元器件现货上唯样商城
自举电容充电过程如图:
下mos管导通时开始充电,充电电压对时间的关系如公式一所示:
vcboot_max = v0 + vcc x [1–exp (-toff/rc)];
充电电流对时间的关系如公式二所示:
i = cdu/dt = c x △vcboot/toff。
接下来看一下其放电过程:上mos管导通时开始放电,放电电压对时间的关系如公式三所示:
vcboot_min = exp [ -ton/ (rtotal x c) ] x vcboot_max
放电电流对时间的关系如公式四所示:
i = cdu/dt = c x △vcboot/ton
至此我们已经掌握自举驱动电路的“窍门”。
应该如何正确地选择合适的电容、电阻呢
电容的选型主要基于其耐压值和容量大小。耐压值要大于等于vcc减去二极管和下mos管的导通电压。驱动电路上有其他功耗器件由该电容供电,所以要求电容上的电压下跌最好不要超过原先值的10%,这样才能保证驱动电压。
由以上限制和公式三可推出需要ton <= (rtotal x c)x ln0.9。由该式可知ton的最大值与自举电容和自举电阻的大小有关。如果容值太小,其两端的电压降会过大,会出现占空比无法展开的情况。但是容值也不能太大,太大的电容会导致最小toff变大,电容充不满电也会导致占空比无法展开,并且会导致二极管在充电的时候冲击电流过大。
了解完电容后,自举电阻该怎么选型呢?
自举电阻的电压等于充电电流乘以其阻值,所以其耐压值要大于最大充电电流乘以其阻值;同样自举电阻的阻值会影响自举电容充电时间,也会影响占空比, r越大,所需充电时间越长。同时自举电阻阻值的增加会降低上mos管的驱动电压,增加cgs的充电时间,从而降低上mos管导通时的电压电流的变化率和sw波尖峰。
图注:自举电阻为0ω时,sw的测试波形
将电阻增大到45ω时,可以明显看出自举电阻越大,sw波上升斜率越小,同时sw的尖峰越小,验证了前面的结论。
图注:电阻增大到45ω时,sw的测试波形
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