异步Buck电路自举电容的工作原理和组成

前两天，有小伙伴在群里问Buck电路的自举电容，让讲一讲。谁知道，脑门一热就答应了……既然牛皮已吹出去了，就算跪着也要写出来！如有不对或不够深入，还请包涵。

一道面试题

照例，先抛出来一道面试题：“Buck电路的SW引脚通常会放置一颗小电容，这颗电容有什么用？”。这个问题问得比较细，非常考验被面试者的硬件基本功。

似懂非懂的答案

有小伙伴可能不太清楚这颗电容的作用，回答不上来。也有小伙伴脱口而出：自举电容，用来做升压的。但后面好像说不出来具体逻辑。

没具体了解过，答不上来，也没啥可惜的。但是了解过一点，但又似懂非懂的这种，给出的答案只是轻轻点水或者千篇一律，那无疑是错过了一个加分项。

异步Buck的自举环路组成

既然是针对Buck电路讲自举电容，前面我们聊过Buck电路有异步和同步之分，想必大家对这个已经很熟悉。我们就先聊聊异步Buck的自举电容，为了更有说服力，就以TI的LMR16006为例。

上图为芯片的典型应用拓扑，Cboot就是我们说的自举电容。为了能清楚的理解自举电容的原理，我们需要深入到Buck芯片内部，去看个究竟。

上图即为异步Buck芯片LMR16006的内部架构。今天我们主要介绍跟Cboot相关的部分，其他的不做展开。

①Q1：NMOS管，是异步Buck电路的开关管；

②HS Driver：Q1的g极驱动电路；

③Q2：NMOS管，用于给Cboot电容充电提供回路；

④两个单向二极管，必要时及时截止，阻止不必要的通路；

⑤VCC：Bootstrap Regulator(自举调整器，翻译得可能不一定恰当)，用于从Vin取电并给MOS管高边驱动HS Driver提供偏置电压。

LMR16006的Datasheet上并没有明确给出该Bootstrap Regulator的电压值，只是说低于3V会进入UVLO(Undervoltage lockout thresholds)状态。

Cboot充电回路

如下图所示，当高边MOS管Q1关断时，异步Buck电路的电流回路，如绿色箭头所示。这个想必大家都已经熟悉了。

在电感泄放能量的同时，Cboot也开始充电，充电的回路正如上图红色箭头所示：Vin-->VCC-->D-->Cboot-->Q2-->GND。这里我们忽略二极管D1的导通压降，就认为A点的点位约等于0电平。B点的防反二极管导通压降也忽略，那么，Cboot充电完成后的电压约等于VCC。

简单概括：Cboot充/电感放，各走各路！

注意：由于Q2上端有二极管的存在，不会给电感泄放提供第二个回路，所以不会影响电感的正常泄放。

浮地驱动

当电感储存的能量泄放完，D1反向截止，而HS Driver要驱动高边MOS管Q1导通时，细心的你会发现：Q2的S极直接接地，G极只要输出高电平(>Vth)，Mos管Q2即可导通。而Q1的S极是接在SW(即A点)上，D1已反向截止，Q2也关断，这样就没了回路，我们可以认为Q1是悬浮在半空中。只是单纯的让G极输出高电平，并不能让Q1导通。

正是由于Cboot的存在，而且并联在HS Driver电源两端，电压刚好约等于VCC。这里强调下：Cboot是并联在HS Driver的电源两端(V+/V-)，并不是直接并联在MOS管的G和S两端。但HS Driver和MOS是共"参考点"(实际是V-，即A点电位)。

正是Cboot，将原本悬浮的HS Driver的两个电源端V+/V-之间建立了(电位差)联系。这个电位差刚好是VCC。

当逻辑控制单元给HS Driver输入高电平时，HS Drvier立即输出高电平(相对V-，即A点电位而言)，驱动高边MOS管的G极。此时，MOS管的Vgs刚好就是Cboot两端的电压(约等于VCC)，Vgs>Vth，Q1导通。

简单概括：浮地要驱动，就要加自举。

不突变与能持久

Q1导通后，A点电位突变为VIN，及V-电位变成VIN（远远高于VCC电压）。如果V+依旧保持VCC的电位，那Q1恐怕要被迫关闭了！正是由于Cboot的存在，Cboot电容两端电压差不能突变，B点电位变为VIN+VCC。这样对Cboot而言，电压差依然是VCC。对HS Drvier而言，以A点电位为参考，输出高电平时，Vgs依然是VCC，大于Vth，可以让Q1持续导通。

简单概况：电压不突变，导通能持久。

总结

聊到这里，今天想说的也差不多了，我们大概清楚了异步Buck的自举环路组成、Cboot的充电回路、浮地驱动方式以及上管持续导通的原因。

为了便于理解，概括三句话：

充电回路：电容充/电感放，各走各路！

浮地驱动：浮地要驱动，就要加自举！

持续导通：电压不突变，导通能持久！

以上所述，部分内容涉及个人理解，如有觉得不妥，欢迎留言讨论。

来源： 本文转载自硬件微讲堂公众号

审核编辑：汤梓红