連載系列：立锜科技60V、3.5A 工業(yè)級 Buck 轉(zhuǎn)換器 RTQ6363 自舉電路的工作原理

我們最近涉及的話題都是關(guān)于 60V 工業(yè)級 Buck 轉(zhuǎn)換器 RTQ6363 的，它的負(fù)載能力為 3.5A，如果需要其他的規(guī)格，還有 RTQ6360~RTQ6365 等可選，最小的負(fù)載能力為 0.5A，最大為 5A。

RTQ6363 提供兩種封裝形式，因為引腳數(shù)的不同便有功能上的小差異，而使用起來最簡單的是 PSOP-8 封裝，相應(yīng)的應(yīng)用原理圖大概如下圖所示：

這只是一個概念性質(zhì)的圖片，實際的參數(shù)需要根據(jù)具體的應(yīng)用來確定，規(guī)格書里有很多可供參考的例子，讀者需要時可以到那里去抓取，我們今天的話題是想看看上橋及其周邊電路是如何工作的，由此了解自舉電路的工作原理和應(yīng)用中可能遇到的問題及其解決方案，為有疑問的讀者解惑，兌現(xiàn)我對某位讀者的承諾，希望也能順便幫到有需要的其他人。

在上圖中，RTQ6363GSP 是用一個方框來代表的，已經(jīng)集成了的上橋開關(guān)位于引腳 VIN 和 SW 之間，但這兩個點只是構(gòu)成開關(guān)的 MOSFET 的漏極和源極，這個管子的柵極是和由 BOOT 端供電的內(nèi)部驅(qū)動器連接在一起的，規(guī)格書中截取的部分框圖顯示出了相關(guān)的電路結(jié)構(gòu)：

在工作過程中，Buck 轉(zhuǎn)換器的上橋開關(guān) High-Side MOSFET 只有兩種狀態(tài)，不是導(dǎo)通便是截止，讓它處于放大區(qū)的狀況是要被竭力避免的，因為它在那時候的表現(xiàn)就像一只電阻，電流流過它時會形成很大的損耗，所以對上橋進(jìn)行驅(qū)動的電路就必須要有足夠的驅(qū)動能力即電流吐納能力要大，以便能夠在開關(guān)過程中快速跨過導(dǎo)通與截止之間的中間狀態(tài)，但這種能力也不能太強(qiáng)，因為開關(guān)的快速通斷會形成較大的? EMI 問題，實用中的驅(qū)動器設(shè)計都是折中以后的結(jié)果。

驅(qū)動電路的驅(qū)動能力要足夠強(qiáng)，除了電路本身要強(qiáng)大，它的供電電壓也要足夠高，這是由 BOOT 端的供電來保證的。從框圖看，BOOT 端的供電來自 IC 內(nèi)部的一個 Regulator，其輸出電壓在大部分的設(shè)計中都在 5V 左右，它通過一個二極管流向 BOOT，再被 BOOT 外接的電容 CBOOT 儲存起來，在驅(qū)動器需要時即可向它提供電能，這樣做要比直接由穩(wěn)壓器的輸出給它供電有效得多，同時還可以利用自舉的作用解決 MOSFET 導(dǎo)通以后的狀態(tài)維持問題。

從應(yīng)用電路原理圖可以看到 CBOOT 的參考點并非 GND，它的另一端連接在 SW 上。在穩(wěn)態(tài)工作期間，SW 可以有三種電壓狀態(tài)：當(dāng)上橋?qū)〞r，VSW=VIN；當(dāng)上橋截止、續(xù)流二極管導(dǎo)通時，VSW=0V–VD=–VD；當(dāng)上橋截止、續(xù)流二極管截止時，VSW=VOUT。

如果輸出電壓很低，例如輸出電壓為零的剛剛加電時，還有輸出電壓低于內(nèi)部穩(wěn)壓器輸出電壓的情況下，假如上橋和續(xù)流二極管都處于截止?fàn)顟B(tài)，這時的 VSW=VOUT 也是處于很低的狀態(tài)，內(nèi)部穩(wěn)壓器的輸出即可通過二極管后對 CBOOT 進(jìn)行充電。如果這樣的時間長度足夠長，最后便有 CBOOT 所充電壓略低于內(nèi)部穩(wěn)壓器輸出電壓–二極管正向導(dǎo)通壓降 –VOUT 的結(jié)果，但是這種狀況在工作中存在的時間其實是很短的，再加上輸出電壓 VOUT 的存在，導(dǎo)致這種情況下充入 CBOOT 的電壓幾乎不能滿足應(yīng)用的需要，實際上也就沒有什么實用的意義，所以不需要被納入考慮的范疇。

正常工作情況下的 CBOOT 被充電都發(fā)生在上橋截止、續(xù)流二極管導(dǎo)通的時間段，此時有 VSW=0V–VD=–VD，由續(xù)流二極管導(dǎo)致的 SW 節(jié)點負(fù)電壓在充電回路中所起的作用應(yīng)該可以把內(nèi)部穩(wěn)壓器輸出端串聯(lián)的二極管的壓降抵消掉，所以充電的最后結(jié)果就是 VCBOOT= 內(nèi)部穩(wěn)壓器輸出電壓。由于內(nèi)部穩(wěn)壓器的供電能力通常是很有限的，再加上充電回路上電阻的存在，這個充電過程還是符合 RC 串聯(lián)電路上電容電壓變化過程的指數(shù)規(guī)律，充電時間越長則越是接近充電電源的電壓，時間太短則可能出現(xiàn)充電不足的問題，這是很多轉(zhuǎn)換器會在工作占空比較高的應(yīng)用中要求增加另外的自舉電容充電電路的原因。具體到 RTQ6363 上，需要增加充電電路的占空比閾值是 65%。

由于輸入、輸出間最小壓差的存在，當(dāng) RTQ6363 的輸入電壓較低時，內(nèi)部穩(wěn)壓器的輸出電壓會隨著輸入電壓的降低而變低，自舉電容充電期間能夠充入的電能自然也就變少了。因為這個原因，便有 RTQ6363 要求在輸入電壓低于 5.5V 時要給自舉電路增加另外的充電電路。

如果沒有外加的充電電路，設(shè)計中能向自舉電容 CBOOT 充電的電源便只有內(nèi)部穩(wěn)壓器，其最高電壓便只有 5V 左右，規(guī)格書中所規(guī)定的 BOOT vs SW 間的最大電壓范圍 -0.3V~6V 便永遠(yuǎn)沒有被超越的可能，但在引入了外部充電電路以后就很難說了，因為它所使用的外部電源是由設(shè)計者引入的，我們無法對其進(jìn)行控制，只能告訴設(shè)計者，你能給這兩個端子間施加的電壓差必須處于這個范圍內(nèi)，超出了就可能有危險會發(fā)生，這種危險造成的危害屬于 EOS 損傷。

如果 RTQ6363 工作在負(fù)載比較重的電感電流連續(xù)模式下，它的每個工作周期便被上橋?qū)〞r間和續(xù)流二極管導(dǎo)通的時間占滿了。在這種情況下，只要屬于上橋?qū)ǖ臅r間占空比低于 65%，輸入電壓也沒有低于 5.5V，給 CBOOT充電的電源就是充足的，充電的時間也足夠，此時就沒有必要添加另外的充電電路。

假如 RTQ6363 工作于負(fù)載很輕的電流非連續(xù)模式下，它的上橋只需要很少的導(dǎo)通時間即可滿足輸出穩(wěn)定的需求，為電感續(xù)流的二極管也會很快進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，SW 的電壓便會在很多時候都處于與輸出電壓相等的狀態(tài)，在這種狀況下便可能出現(xiàn) CBOOT 充電不足的問題，即使充足了也可能會出現(xiàn)電量不足的問題，因為上橋的驅(qū)動電路總是會有一些消耗的，即使不需要開通上橋時也是如此，所以 RTQ6363 便設(shè)計了一個 BOOT 電壓不足的檢測功能，它在遇到這種狀況時會自動將連接在 SW 和 GND 之間的一個內(nèi)部 MOSFET 打開以拉低 SW 的電位，使對 CBOOT 的充電能夠得到實施，實現(xiàn)補(bǔ)足其電壓的效果。這里提到的內(nèi)部 MOSFET 很容易被認(rèn)為是內(nèi)部集成的續(xù)流開關(guān)，至少在我接觸開關(guān)穩(wěn)壓器的早期就是這樣認(rèn)為的，這讓我將非同步的 Buck 轉(zhuǎn)換器當(dāng)成了同步 Buck 轉(zhuǎn)換器，實際上卻完全不是那么回事。

CBOOT 為什么會連接在 BOOT 和 SW 之間而不是 BOOT 和 GND 之間呢？這是因為上橋的參考點是 SW，而這個點的電壓是變化的。當(dāng)上橋的驅(qū)動電路發(fā)出一個高電平時，它能使上橋由截止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，這將使得 VSW=VIN，假如 BOOT 的電壓是相對于 GND 而存在的，VSW=VIN 將使上橋的柵源電壓差降低或是變?yōu)樨?fù)值，上橋的導(dǎo)通狀態(tài)便不能維持，而將 CBOOT 連接在 BOOT 和 SW 之間時，當(dāng) VSW 上升為 VIN 的時候，CBOOT 的參考電位便升高到了 VIN，而 CBOOT 兩端的電壓是不能發(fā)生突變的，BOOT 端的電壓也就自然上升了 VIN 而大約成為 5V+VIN，上橋柵極的電位也上升了 VIN，使得它相對于 SW 的電位差一點都沒有變化，上橋的導(dǎo)通狀態(tài)便得以維持。

當(dāng)需要讓上橋截止的時候，上橋驅(qū)動器只需要將其輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，上橋開關(guān)自然截止，此時已經(jīng)充入電感的電流還會繼續(xù)流動，這將導(dǎo)致 SW 處的電壓下降，到其低于地電位后便有續(xù)流二極管的導(dǎo)通使電感電流能夠持續(xù)流動，SW 節(jié)點的電位便維持在 –VD 上，相應(yīng)的 BOOT 處的電位也自然回到了 5V，若有不足則會有內(nèi)部穩(wěn)壓器向其補(bǔ)充電能，做好下一次再驅(qū)動上橋?qū)ǖ臏?zhǔn)備。

在上述過程中，由于 CBOOT 兩端電壓不會突變的緣故，BOOT 及其內(nèi)部連接電路的電壓會隨著 SW 電位的變化而相應(yīng)變化，促使其發(fā)生變化的信號也是它自己發(fā)出的，這就很像是自己把自己舉起來了，所以 CBOOT 被稱為自舉電容。連接在 BOOT 和內(nèi)部穩(wěn)壓器或外部 5V 電源之間的二極管是單向開關(guān)，其作用之一是形成充電的通路，二是在 BOOT 電位被舉升了時防止 CBOOT 中的電能反向流動，所以是必須要有的元件。

當(dāng)使用外部電源為 RTQ6363 的自舉電容充電時，這個電源的電壓最好是 5V 的。這個 5V 既可是系統(tǒng)里存在的其他 5V 電源，也可以是 RTQ6363 自身的輸出。假如系統(tǒng)里沒有可用的 5V，也可使用其他的電壓源經(jīng)過分壓以后來形成，我們在應(yīng)用中可以靈活地進(jìn)行設(shè)計，只要符合基本的原理既可，思想上不要有太多的限制。

雖然本文涉及到的器件型號是 RTQ6363，但是相關(guān)的原理是通用的，可以被套用到別的器件上，需要變化的可能就是一些具體的參數(shù)，這不應(yīng)該成為理解的障礙。

轉(zhuǎn)載自RichtekTechnology。