為什么DCDC芯片設計中都有一個自舉電容？

在以往的電子產品設計中，我經常會選用到 DCDC 芯片，不過大部分情況下是基于 Buck 拓撲的，這主要是因為我設計的產品通常是10+串的電池供電，因此需要從 40+V 的電壓降到 12V，5V，3.3V 給系統供電。

因此，在選型過程中經常遇到的 DCDC 芯片有同步整流和異步整流兩種。

我們常常在這樣的 DCDC 電路中看到一個自舉電容，在芯片的引腳上往往標注BS 或者 BST，如下圖中拓爾微的 TMI3494，它就選用了一個 0.1uF 的電容用來自舉。

那么，這里為什么稱作自舉呢？我們可以一步一步地來分析一下。

首先說一點，基于 Buck 拓撲的 DCDC芯片，對于這個自舉電容并不是必須的，比如下面這個拓爾微的 TMI3493，他的原理圖中就沒有這個自舉電容。

這里對于 TMI3493 和 TMI3494 兩款芯片的主要區(qū)別在于兩點：

TMI3494 是異步整流，TMI3493 是同步整理，這一點從原理圖中的續(xù)流二極管可以看出。TMI3494 的內部 高邊 MOS 管采用的是 NMOS，而 TMI3493 的高邊 MOS 則采用的是 PMOS。

沒錯，自舉電容的有無就取決于芯片設計中采用的MOS 管類型。

一、MOS 管的開啟與關閉

要研究這個自舉的由來，我們還是先看一下 MOS 的開啟與關閉。從上文得知，我們首先要分別看一下 NMOS 和 PMOS 電源拓撲中的開關情況了。

上圖中展示的 Bcuk 電路中選用的是 PMOS 來作為開關管進行斬波控制，因此，我們知道只需要在 Q1 的 Vgs 施加負電壓就可以順利打開 MOS 管 Q1。但是，從MOS 管的生產工藝上我們了解到，PMOS 的導通電流往往做不到很大，相同成本下，NMOS 的導通電流可以做到更大，也就是 Rdson 可以做到相對較低。因此Buck 電路中會將開關管從 PMOS 更換為 NMOS，如下圖所示。

那么問題來了，當我們把 Bcuk 電路中的 PMOS 換成 NMOS 之后，我們如何在 MOS 管 Q1 上給出一個高電平呢？系統最高電壓是 40V，從上圖看，我們需要在 MOS 的柵極給出 45V 以上的電壓才能使得 Q1 完全導通。因此，在高邊 MOS 使用 NMOS 的 DC-DC 芯片設計中，就需要一個電路來進行自舉，也就是產生一個高于系統輸入電壓的電壓來打開高邊的 NMOS。又因為電容的體積問題，很難集成在 IC 內部，因此絕大部分的 DC-DC 芯片要求使用者在外面放置這個自舉電容。

二、H橋驅動電路中的自舉電容分析

我想利用 H 橋驅動電路中的 MOS 和 MOSDriver 電路來分析一下自舉電容的工作原理和過程，因為使用 H 橋電路推動感性負載時，和 DCDC 芯片推動儲能電感降壓時的工作原理基本上是相同的。

首先，上下橋的兩個 MOS 管不可以同時導通，那么在下管導通的時候，上圖中紅色箭頭標注的是自舉電容的充電回路。在這個階段，自舉電容的 AB 兩端被充電為 12V。下一個階段，下管關閉，此時上管 Q1 的 S 極處于浮動狀態(tài)，IR2014 內部將 VB 引腳鏈接到 HO 引腳即可在 Q1 的 GS 兩極并聯上充滿電的自舉電容，因此 Vgs = 12V，使得 Q1 導通。如此循環(huán)，上管關閉后，下管打開，再繼續(xù)為自舉電容充電，為下一次上管打開做準備。

三、同步 DCDC 電路中的自舉電容

同步 DC-DC 芯片中的自舉電容的原理與上文中提到的 H橋驅動非常相似，我們看一下同步DC-DC 芯片的內部框圖來看一下自舉回路。

框圖中，兩個綠色圓圈的 VCC 是 DC-DC 芯片內部穩(wěn)壓出來的一個可以驅動 MOS 開啟的電壓，也可以供芯片內部其他邏輯電路使用，這里你可以理解為上一章節(jié)中 IR2014 的輸入電壓 12V。然后就跟 H 橋電路中的邏輯一樣，當低邊 MOS 管通過 LS Driver （這里可以直接用 VCC 驅動，因為是低邊的 NMOS）導通時，自舉電容的回路通過紅色箭頭的回路進行充電，將自舉電容兩端電壓 V+和 V-之間充到 VCC 的電壓。此時，buck 電路處于續(xù)流狀態(tài)，因此綠色箭頭表示的是電源輸出與負載回路的續(xù)流回路。當續(xù)流完畢，低邊 NMOS 將被關閉，高邊 NMOS 將由 HS Driver 選擇將 C1 電容直接并接在高邊 NMOS 的 GS 兩端，高邊 NMOS 打開為電感補充能量。如果 DC-DC 中的高邊 NMOS 換成一個 PMOS 的話，我們就沒有必要大費周折的去給一個電容充電了，直接給一個比系統輸入電壓 VIN 低一些電壓就可以打開高邊的 PMOS 了。

四、異步 DCDC 中的自舉電容

下面，我們通過一幅圖來看一下，對于異步 DCDC 芯片，它的自舉電容的充電回路是怎么樣的，因為異步 DCDC 沒有低邊的 MOS 管，它的續(xù)流是靠外部設計一個肖特基二極管進行續(xù)流的，所以芯片內部的設計上還是有所不同。

我們可以看到，異步的 DC-DC 芯片在下邊橋上設計了一個小的 MOS 管，并且串聯了一個二極管（藍色圓圈內），之所以說這是一個小的 MOS 管，原因就在于它串了二極管后，在續(xù)流的過程中，大電流的回路只會流過外置的肖特基二極管，而不會影響到自舉電容的充電回路。紅色箭頭所指的回路就是自舉電容的充電回路，這回大家了解了吧，在異步 DC-DC 芯片中，工程師是預置了一個小 MOS 管來控制自舉電容的充電回路的。

五、自舉電容的選擇

了解了自舉電容的原理，其實對于自舉電容的選型也就可以得心應手了，手冊中一般也會標記出來，它理論上的額定電壓就是DCDC 芯片中 VCC 的電壓。

手冊中一般也會推薦，這里一般選擇 10V 或者 16V 的 MLCC 即可，畢竟現在的 MOS 管的 Vth 越來也低了，基本上 5V 以內就可以完全打開了。