自举电容器：Buck电路的关键驱动力

自举电容器：Buck电路的关键驱动力

自举电容器在Buck电路中发挥着至关重要的作用，通过利用电容两端电压不能突变的特性，实现对高侧MOSFET栅极电压的提升，从而保证其正常通断并为负载提供能量。本文解析了自举电容器的工作原理、选择标准及其在电力电子领域的应用实例，旨在提高Buck电路的性能和稳定性。

Buck电路简述

Buck电路，又称降压转换电路，是一种广泛使用的DC-DC转换器，其主要功能是将较高的DC输入电压转换成较低的DC电压。功率开关（如MOSFET）通常由功率开关组成、BQ3285ESS电感器、电容器、二极管及其控制电路等部件。自举电容器在这些部件中起着至关重要的作用，特别是当需要驱动高端MOSFET时。

自举电容器的作用

自举电容的主要功能是在Buck电路中提供高输入电压（Vin）高侧MOSFET的栅极驱动电压，以确保其能够正常通断。由于高侧MOSFET的源极（S极）相互连接到输入电压Vin，并且栅极（G极）必须比源极更高的电压才能通断（即Vgs>Vth，其中Vgs为栅源极电压，Vth为阈值电压），因此必须有一个系统来提高栅极电压。自举电容是利用电容两端电压无法突变的特点，按照巧妙的电路原理实现这一功能。

自举电容器的工作原理

自举电容器的工作原理可以分为充电过程和放电过程两个阶段。为了实现高侧MOSFET的持续驱动，这两个阶段在Buck电路的PWM（脉冲宽度调制）周期内交替进行。

充电过程

当低侧MOSFET通断，高侧MOSFET关闭时，充电过程通常发生在Buck电路的某个特定阶段。此时，输入电压Vin根据低侧MOSFET和自举二极管（有时是集成在IC内部的二极管）对自举电容进行充电。

• 电路状态：低侧MOSFET通断，将SW（开关）管脚连接到地面（GND），关闭高侧MOSFET。
• 充电回路：Vin →自举二极管→自举电容（上正下负）→ SW管脚→地。
• 充电结果：自举电容充电到接近Vin的电压值。请注意，由于二极管和MOSFET之间的通断压降，特定的充电电压可能略低于Vin。

放电过程

当高侧MOSFET必须通断并向负载提供能量时，就会发生放电过程。此时，自举电容利用其储存的电荷来提高侧MOSFET的栅极电压，使其符合通断标准。

• 电路状态：关闭低侧MOSFET，准备通断高侧MOSFET。
• 放电电路：自举电容（此时已经充电到一定电压）→栅极极高侧MOSFET→控制器（或其他电路元件）→地面（或定位点）。
• 放电结果：当SW管脚电压从地电位升至Vin（即高侧MOSFET的S极电压升高）时，由于电容两端电压无法突变，自举电容的正端电压也随之升高，从而提高了MOSFET的栅极电压。当栅源极电压Vgs超过阈值电压Vth时，高侧MOSFET通断，逐渐为负载提供能量。

自举电容器的选择和设计

自举电容的选择在规划Buck电路时尤为重要。其容值、抗压等数据必须根据实际使用场景和电路规定进行选择。

容值挑选

通常需要根据高侧MOSFET的网格极电荷量来提升电容的容值（Qg）由电路的输出功率和占空比决定。一般来说，容值过大会增加成本，可能会导致电路响应速度变慢；如果容值过小，可能无法提供足够的电荷来维持高端MOSFET的导通状态。因此，必须根据实际情况进行测量和判断。

抗压挑选

自举电容器的耐压等级必须大于或等于SW管脚和地面之间的主要电压差。在Buck电路中，这种电压差通常等于输入电压Vin（在理想情况下）。但在实际应用中，由于各种因素（如电路中的电压波动、尖峰等），为了保证电路的稳定性和可靠性，可能需要选择耐压等级更高的电容器。

其他参考标准

自举电容的ESR（等效串联电阻）除容值和耐压等级外，还应考虑、温度特性、寿命等因素。各种因素都会影响电容器的性能和电路的整体性能。

自举电容器的应用实例

自举电容器的影子可以在许多Buck电路的设计中看到。例如，在一些集高侧MOSFET于一体的Buck转换器IC中，通常会提供一个BOOT（或BST）管脚来连接自举电容器。这类IC已经集成了必要的驱动电路和保护机制，使得外部电路的设计更加简单可靠。

自举电容器在Buck电路中起着至关重要的作用，它利用电容器两端电压不能突变的特性来提高MOSFET的栅极电压，从而保证其能够正常通断并为负荷提供能量。根据对自举电容器工作原理和选型设计参考标准的深刻理解，我们可以更好地利用这项技术来提高Buck电路的性能和稳定性。与此同时，随着电力电子技术的不断进步和创新，我相信自举电容器将在更多的领域和场景中发挥重要作用。