为什么DCDC芯片设计中都有一个自举电容？

在以往的电子产品设计中，我经常会选用到 DCDC 芯片，不过大部分情况下是基于 Buck 拓扑的，这主要是因为我设计的产品通常是10+串的电池供电，因此需要从 40+V 的电压降到 12V，5V，3.3V 给系统供电。

因此，在选型过程中经常遇到的 DCDC 芯片有同步整流和异步整流两种。

我们常常在这样的 DCDC 电路中看到一个自举电容，在芯片的引脚上往往标注BS 或者 BST，如下图中拓尔微的 TMI3494，它就选用了一个 0.1uF 的电容用来自举。

那么，这里为什么称作自举呢？我们可以一步一步地来分析一下。

首先说一点，基于 Buck 拓扑的 DCDC芯片，对于这个自举电容并不是必须的，比如下面这个拓尔微的 TMI3493，他的原理图中就没有这个自举电容。

这里对于 TMI3493 和 TMI3494 两款芯片的主要区别在于两点：

TMI3494 是异步整流，TMI3493 是同步整理，这一点从原理图中的续流二极管可以看出。TMI3494 的内部 高边 MOS 管采用的是 NMOS，而 TMI3493 的高边 MOS 则采用的是 PMOS。

没错，自举电容的有无就取决于芯片设计中采用的MOS 管类型。

一、MOS 管的开启与关闭

要研究这个自举的由来，我们还是先看一下 MOS 的开启与关闭。从上文得知，我们首先要分别看一下 NMOS 和 PMOS 电源拓扑中的开关情况了。

上图中展示的 Bcuk 电路中选用的是 PMOS 来作为开关管进行斩波控制，因此，我们知道只需要在 Q1 的 Vgs 施加负电压就可以顺利打开 MOS 管 Q1。但是，从MOS 管的生产工艺上我们了解到，PMOS 的导通电流往往做不到很大，相同成本下，NMOS 的导通电流可以做到更大，也就是 Rdson 可以做到相对较低。因此Buck 电路中会将开关管从 PMOS 更换为 NMOS，如下图所示。

那么问题来了，当我们把 Bcuk 电路中的 PMOS 换成 NMOS 之后，我们如何在 MOS 管 Q1 上给出一个高电平呢？系统最高电压是 40V，从上图看，我们需要在 MOS 的栅极给出 45V 以上的电压才能使得 Q1 完全导通。因此，在高边 MOS 使用 NMOS 的 DC-DC 芯片设计中，就需要一个电路来进行自举，也就是产生一个高于系统输入电压的电压来打开高边的 NMOS。又因为电容的体积问题，很难集成在 IC 内部，因此绝大部分的 DC-DC 芯片要求使用者在外面放置这个自举电容。

二、H桥驱动电路中的自举电容分析

我想利用 H 桥驱动电路中的 MOS 和 MOSDriver 电路来分析一下自举电容的工作原理和过程，因为使用 H 桥电路推动感性负载时，和 DCDC 芯片推动储能电感降压时的工作原理基本上是相同的。

首先，上下桥的两个 MOS 管不可以同时导通，那么在下管导通的时候，上图中红色箭头标注的是自举电容的充电回路。在这个阶段，自举电容的 AB 两端被充电为 12V。下一个阶段，下管关闭，此时上管 Q1 的 S 极处于浮动状态，IR2014 内部将 VB 引脚链接到 HO 引脚即可在 Q1 的 GS 两极并联上充满电的自举电容，因此 Vgs = 12V，使得 Q1 导通。如此循环，上管关闭后，下管打开，再继续为自举电容充电，为下一次上管打开做准备。

三、同步 DCDC 电路中的自举电容

同步 DC-DC 芯片中的自举电容的原理与上文中提到的 H桥驱动非常相似，我们看一下同步DC-DC 芯片的内部框图来看一下自举回路。

框图中，两个绿色圆圈的 VCC 是 DC-DC 芯片内部稳压出来的一个可以驱动 MOS 开启的电压，也可以供芯片内部其他逻辑电路使用，这里你可以理解为上一章节中 IR2014 的输入电压 12V。然后就跟 H 桥电路中的逻辑一样，当低边 MOS 管通过 LS Driver （这里可以直接用 VCC 驱动，因为是低边的 NMOS）导通时，自举电容的回路通过红色箭头的回路进行充电，将自举电容两端电压 V+和 V-之间充到 VCC 的电压。此时，buck 电路处于续流状态，因此绿色箭头表示的是电源输出与负载回路的续流回路。当续流完毕，低边 NMOS 将被关闭，高边 NMOS 将由 HS Driver 选择将 C1 电容直接并接在高边 NMOS 的 GS 两端，高边 NMOS 打开为电感补充能量。如果 DC-DC 中的高边 NMOS 换成一个 PMOS 的话，我们就没有必要大费周折的去给一个电容充电了，直接给一个比系统输入电压 VIN 低一些电压就可以打开高边的 PMOS 了。

四、异步 DCDC 中的自举电容

下面，我们通过一幅图来看一下，对于异步 DCDC 芯片，它的自举电容的充电回路是怎么样的，因为异步 DCDC 没有低边的 MOS 管，它的续流是靠外部设计一个肖特基二极管进行续流的，所以芯片内部的设计上还是有所不同。

我们可以看到，异步的 DC-DC 芯片在下边桥上设计了一个小的 MOS 管，并且串联了一个二极管（蓝色圆圈内），之所以说这是一个小的 MOS 管，原因就在于它串了二极管后，在续流的过程中，大电流的回路只会流过外置的肖特基二极管，而不会影响到自举电容的充电回路。红色箭头所指的回路就是自举电容的充电回路，这回大家了解了吧，在异步 DC-DC 芯片中，工程师是预置了一个小 MOS 管来控制自举电容的充电回路的。

五、自举电容的选择

了解了自举电容的原理，其实对于自举电容的选型也就可以得心应手了，手册中一般也会标记出来，它理论上的额定电压就是DCDC 芯片中 VCC 的电压。

手册中一般也会推荐，这里一般选择 10V 或者 16V 的 MLCC 即可，毕竟现在的 MOS 管的 Vth 越来也低了，基本上 5V 以内就可以完全打开了。