开关电源BUCK电路中自举电容的选型(2)

(1) High-Side MOSFET QG = 85 nC计算实例1

某BUCK转换器的High-Side MOSFET的栅极电荷量QG = 85 nC（即 Q_G(TOTAL) =85nC ）

驱动电压VGS = 10 V

上升时间 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% ：即最大占空比为90%，开关周期为1/200kHz（最大导通时间为 90% / 200kHz = 4.5*10^(-6)s ）

根据公式(5.70)计算自举电容可取的最小值为(5.72)

当自举电容取值 C_BOOT = 180nF 时，对应的电压跌落为 ∆V_BOOT = 98.5nC / 180nF = 0.547V 。

当自举电容取值 C_BOOT = 470nF 时，对应的电压跌落为 ∆V_BOOT = 98.5nC / 470nF = 0.209V 。

当自举电容取值 C_BOOT = 1000nF 时，对应的电压跌落为 ∆V_BOOT = 98.5nC / 1000nF = 0.099V 。

在此算例中，自举电容选择180nF即可满足设计需求。

(2) LM5116MH/NOPB典型应用电路的自举电容计算实例2

图 5.46 LM5116MH/NOPB芯片Bootstrap UVLO电路框图及相关参数

图 5.47 LM5116MH/NOPB典型应用电路

根据高边开关管MOSFET Si7850规格书，其栅极总电荷量最大值为 Q_G(TOTAL) = 27nC = 27×10^(-9) C ，栅极-源极的漏电流最大值为 I_(LK,GS) = 100nA = 0.1×10^(-6) A 。

根据自举二极管CMPD2003规格书，其反向漏电流最大值为 I_(LK,DIODE) = 100uA = 100×10^(-6) A ，在正向导通电流200Ma条件下的正向导通压降最大值为 V_F = 1.25V 。

根据降压控制器LM5116规格书，HB – SW = 15V 条件下，HB引脚的偏置电流最大值为200uA，这就是降压控制器LM5116内部自举电路的静态电流，即 I_(Q,BOOT) = 200uA = 200×10^(-6) A 。

该器件规格书中未给出自举电路的漏电流 I_(LK,BOOT) ，此处忽略不计，即 I_(LK,BOOT) = 0 。

自举陶瓷电容MLCC（C1），其漏电流通常忽略不计，即 I_(LK,CAP) = 0 。

自举电源（PIN16）典型值为VCC = 7.4V ，所以自举电容或HB引脚上的初始电压应该为 V_(CBOOT,INIT) = 7.4V - 1.25V = 6.15V 。

图5.46所示，通常内置电源VCC和自举二极管Dboot的降压转换器或控制器芯片的规格书都会在“电气特性（Electrical Characteristics）”中提供 V_(CBOOT,UVLO) 参数，如LM5116同步降压控制器芯片规格书中给定的欠压闭锁阈值最大值为 V_(CBOOT,UVLO,MAX) = 4.7V 。

输入电压为 VIN = 7 V to 60 V，输出电压为VOUT = 5 V，最大负载电流为IOUT(MAX) = 7 A，开关频率为FSW = 250 kHz（对应的开关周期为1/250kHz = 4*10^(-6)s），所以该电路可能的最大占空比为 D_MAX = 5 / 7 = 0.71。

根据公式(5.68)计算自举电容可取的最小值为

根据公式(5.71)计算自举电容可取的最小值为

当自举电容取值 C_BOOT = 100nF 时，对应的电压跌落为 ∆V_CBOOT = 27.852nC / 100nF = 0.278V 。

当自举电容取值 C_BOOT = 220nF 时，对应的电压跌落为 ∆V_CBOOT = 27.852nC / 220nF = 0.127V 。

当自举电容取值 C_BOOT = 1000nF 时，对应的电压跌落为 ∆V_CBOOT = 27.852nC / 1000F = 0.028V 。

综上所述：①在LM5116MH典型应用电路中，推荐自举电容的取值在220nF及以上。②参考“5.4.3 反馈电阻取值实例TPS54561DPRT”章节，选择的评价标准不同，得到高边反馈电阻和低边反馈电阻的取值范围就不同；这里类似，对比公式(5.73)和(5.74)结果，评价标准不同，也会导致自举电容可取的最小值不同。

3.自举电容上的总电荷量大于等于HS-MOSFET栅极总电荷量的20倍

在TOFF期间，自举电容充电完成后的电荷量可以使用 ∆Q=C×∆V 表示为

如果自举电容上的总电荷量大于等于高边开关管MOSFET总栅极电荷量的20倍，即

那么

可得

所以

其中，V_(CBOOT,INIT) 是自举电容上的初始电压，在忽略二极管压降的情况下，等于偏置电源 VCC ；Q_G(TOTAL) 是高边开关的栅极总电荷量。

从前述的“计算实例1”可知，总驱动电路电荷量13.5nC仅占所需总电荷量98.5nC的13.7%；从“计算实例2”可知，总驱动电路电荷量0.852nC仅占所需总电荷量27.852nC的3%。由此可见，与高边开关管MOSFET的总栅极电荷量相比，总驱动电路电荷量是可以忽略。

将上述公式(5.79)与公式(5.70)对比可知，将公式(5.70)中的总驱动电路电荷量 Q_(LK(TOTAL)) 忽略后得到的结果，与公式(5.79)是相同的。

所以，自举电容取值的三个原则：“自举电容放电后的电压跌落 ∆V_BOOT 不超过允许的最小值 VCC - V_(F,DBOOT,MAX) - V_(BOOT,UVLO,MAX)”、“自举电容上的总电荷量大于等于高边开关管MOSFET总栅极电荷量的20倍 ”和“自举电容放电后的电压跌落 ∆V_BOOT 不超过 V_BOOT 电压的5%”，它们本质上是等同的。

4. 总结

通过对比不同BUCK芯片推荐的参考电路可知，不同的BUCK芯片针对高边MOSFET的自举电容给出了诸如22nF、100nF；更有甚者，某些参考设计中给出了1uF电容量的自举电容（这里就不点名了，不知道原厂工程师是否有过认真计算，还是仅根据经验给出的），实际通过计算发现，100nF就够了。

那么，BUCK电路中如何确定自举电容的取值范围呢？如前所述，任何不给公式的元器件选型都是耍流氓。

所以，本文给出了自举电容取值的三个评价标准：

①“自举电容放电后的电压跌落 ∆V_BOOT 不超过允许的最小值 VCC - V_(F,DBOOT,MAX) - V_(BOOT,UVLO,MAX)”

②“自举电容上的总电荷量大于等于高边开关管MOSFET总栅极电荷量的20倍 ”

③“自举电容放电后的电压跌落 ∆V_BOOT 不超过 V_BOOT 电压的5%”，

它们本质上是等同的。