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连载系列:立锜科技60V、3.5A 工业级 Buck 转换器 RTQ6363 自举电路的工作原理
发布时间:2020-10-23
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连载系列:立锜科技60V、3.5A 工业级 Buck 转换器 RTQ6363 自举电路的工作原理
发布时间:2020-10-23
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我们最近涉及的话题都是关于 60V 工业级 Buck 转换器 RTQ6363 的,它的负载能力为 3.5A,如果需要其他的规格,还有 RTQ6360~RTQ6365 等可选,最小的负载能力为 0.5A,最大为 5A。

RTQ6363 提供两种封装形式,因为引脚数的不同便有功能上的小差异,而使用起来最简单的是 PSOP-8 封装,相应的应用原理图大概如下图所示:

这只是一个概念性质的图片,实际的参数需要根据具体的应用来确定,规格书里有很多可供参考的例子,读者需要时可以到那里去抓取,我们今天的话题是想看看上桥及其周边电路是如何工作的,由此了解自举电路的工作原理和应用中可能遇到的问题及其解决方案,为有疑问的读者解惑,兑现我对某位读者的承诺,希望也能顺便帮到有需要的其他人。

在上图中,RTQ6363GSP 是用一个方框来代表的,已经集成了的上桥开关位于引脚 VIN 和 SW 之间,但这两个点只是构成开关的 MOSFET 的漏极和源极,这个管子的栅极是和由 BOOT 端供电的内部驱动器连接在一起的,规格书中截取的部分框图显示出了相关的电路结构:

在工作过程中,Buck 转换器的上桥开关 High-Side MOSFET 只有两种状态,不是导通便是截止,让它处于放大区的状况是要被竭力避免的,因为它在那时候的表现就像一只电阻,电流流过它时会形成很大的损耗,所以对上桥进行驱动的电路就必须要有足够的驱动能力即电流吐纳能力要大,以便能够在开关过程中快速跨过导通与截止之间的中间状态,但这种能力也不能太强,因为开关的快速通断会形成较大的  EMI 问题,实用中的驱动器设计都是折中以后的结果。

驱动电路的驱动能力要足够强,除了电路本身要强大,它的供电电压也要足够高,这是由 BOOT 端的供电来保证的。从框图看,BOOT 端的供电来自 IC 内部的一个 Regulator,其输出电压在大部分的设计中都在 5V 左右,它通过一个二极管流向 BOOT,再被 BOOT 外接的电容 CBOOT 储存起来,在驱动器需要时即可向它提供电能,这样做要比直接由稳压器的输出给它供电有效得多,同时还可以利用自举的作用解决 MOSFET 导通以后的状态维持问题。

从应用电路原理图可以看到 CBOOT 的参考点并非 GND,它的另一端连接在 SW 上。在稳态工作期间,SW 可以有三种电压状态:当上桥导通时,VSW=VIN;当上桥截止、续流二极管导通时,VSW=0V–VD=–VD;当上桥截止、续流二极管截止时,VSW=VOUT。

如果输出电压很低,例如输出电压为零的刚刚加电时,还有输出电压低于内部稳压器输出电压的情况下,假如上桥和续流二极管都处于截止状态,这时的 VSW=VOUT 也是处于很低的状态,内部稳压器的输出即可通过二极管后对 CBOOT 进行充电。如果这样的时间长度足够长,最后便有 CBOOT 所充电压略低于内部稳压器输出电压–二极管正向导通压降 –VOUT 的结果,但是这种状况在工作中存在的时间其实是很短的,再加上输出电压 VOUT 的存在,导致这种情况下充入 CBOOT 的电压几乎不能满足应用的需要,实际上也就没有什么实用的意义,所以不需要被纳入考虑的范畴。

正常工作情况下的 CBOOT 被充电都发生在上桥截止、续流二极管导通的时间段,此时有 VSW=0V–VD=–VD,由续流二极管导致的 SW 节点负电压在充电回路中所起的作用应该可以把内部稳压器输出端串联的二极管的压降抵消掉,所以充电的最后结果就是 VCBOOT= 内部稳压器输出电压。由于内部稳压器的供电能力通常是很有限的,再加上充电回路上电阻的存在,这个充电过程还是符合 RC 串联电路上电容电压变化过程的指数规律,充电时间越长则越是接近充电电源的电压,时间太短则可能出现充电不足的问题,这是很多转换器会在工作占空比较高的应用中要求增加另外的自举电容充电电路的原因。具体到 RTQ6363 上,需要增加充电电路的占空比阈值是 65%。

由于输入、输出间最小压差的存在,当 RTQ6363 的输入电压较低时,内部稳压器的输出电压会随着输入电压的降低而变低,自举电容充电期间能够充入的电能自然也就变少了。因为这个原因,便有 RTQ6363 要求在输入电压低于 5.5V 时要给自举电路增加另外的充电电路。

如果没有外加的充电电路,设计中能向自举电容 CBOOT 充电的电源便只有内部稳压器,其最高电压便只有 5V 左右,规格书中所规定的 BOOT vs SW 间的最大电压范围 -0.3V~6V 便永远没有被超越的可能,但在引入了外部充电电路以后就很难说了,因为它所使用的外部电源是由设计者引入的,我们无法对其进行控制,只能告诉设计者,你能给这两个端子间施加的电压差必须处于这个范围内,超出了就可能有危险会发生,这种危险造成的危害属于 EOS 损伤。

如果 RTQ6363 工作在负载比较重的电感电流连续模式下,它的每个工作周期便被上桥导通时间和续流二极管导通的时间占满了。在这种情况下,只要属于上桥导通的时间占空比低于 65%,输入电压也没有低于 5.5V,给 CBOOT充电的电源就是充足的,充电的时间也足够,此时就没有必要添加另外的充电电路。

假如 RTQ6363 工作于负载很轻的电流非连续模式下,它的上桥只需要很少的导通时间即可满足输出稳定的需求,为电感续流的二极管也会很快进入截止状态,SW 的电压便会在很多时候都处于与输出电压相等的状态,在这种状况下便可能出现 CBOOT 充电不足的问题,即使充足了也可能会出现电量不足的问题,因为上桥的驱动电路总是会有一些消耗的,即使不需要开通上桥时也是如此,所以 RTQ6363 便设计了一个 BOOT 电压不足的检测功能,它在遇到这种状况时会自动将连接在 SW 和 GND 之间的一个内部 MOSFET 打开以拉低 SW 的电位,使对 CBOOT 的充电能够得到实施,实现补足其电压的效果。这里提到的内部 MOSFET 很容易被认为是内部集成的续流开关,至少在我接触开关稳压器的早期就是这样认为的,这让我将非同步的 Buck 转换器当成了同步 Buck 转换器,实际上却完全不是那么回事。

CBOOT 为什么会连接在 BOOT 和 SW 之间而不是 BOOT 和 GND 之间呢?这是因为上桥的参考点是 SW,而这个点的电压是变化的。当上桥的驱动电路发出一个高电平时,它能使上桥由截止状态进入导通状态,这将使得 VSW=VIN,假如 BOOT 的电压是相对于 GND 而存在的,VSW=VIN 将使上桥的栅源电压差降低或是变为负值,上桥的导通状态便不能维持,而将 CBOOT 连接在 BOOT 和 SW 之间时,当 VSW 上升为 VIN 的时候,CBOOT 的参考电位便升高到了 VIN,而 CBOOT 两端的电压是不能发生突变的,BOOT 端的电压也就自然上升了 VIN 而大约成为 5V+VIN,上桥栅极的电位也上升了 VIN,使得它相对于 SW 的电位差一点都没有变化,上桥的导通状态便得以维持。

当需要让上桥截止的时候,上桥驱动器只需要将其输出由高电平变为低电平,上桥开关自然截止,此时已经充入电感的电流还会继续流动,这将导致 SW 处的电压下降,到其低于地电位后便有续流二极管的导通使电感电流能够持续流动,SW 节点的电位便维持在 –VD 上,相应的 BOOT 处的电位也自然回到了 5V,若有不足则会有内部稳压器向其补充电能,做好下一次再驱动上桥导通的准备。

在上述过程中,由于 CBOOT 两端电压不会突变的缘故,BOOT 及其内部连接电路的电压会随着 SW 电位的变化而相应变化,促使其发生变化的信号也是它自己发出的,这就很像是自己把自己举起来了,所以 CBOOT 被称为自举电容。连接在 BOOT 和内部稳压器或外部 5V 电源之间的二极管是单向开关,其作用之一是形成充电的通路,二是在 BOOT 电位被举升了时防止 CBOOT 中的电能反向流动,所以是必须要有的元件。

当使用外部电源为 RTQ6363 的自举电容充电时,这个电源的电压最好是 5V 的。这个 5V 既可是系统里存在的其他 5V 电源,也可以是 RTQ6363 自身的输出。假如系统里没有可用的 5V,也可使用其他的电压源经过分压以后来形成,我们在应用中可以灵活地进行设计,只要符合基本的原理既可,思想上不要有太多的限制。

虽然本文涉及到的器件型号是 RTQ6363,但是相关的原理是通用的,可以被套用到别的器件上,需要变化的可能就是一些具体的参数,这不应该成为理解的障碍。

转载自RichtekTechnology。

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