自举电路原理分析

目录：

一、自举电路含义

二、基于IR2104S自举电路

1、综述

2、半桥驱动芯片IR2104S

1）简述   2）典型电路设计   3）引脚功能   4）自举电路   5）整体原理图

三、基于RT6204自举电路

四、容值的确定

一、自举电路含义

自举电路字面意思是自己把自己抬起来的电路，是电子电路中常见的电路之一。它也叫升压电路，是利用自举升压二极管、自举升压电容等电子元件，使电容放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高，有的电路升高的电压能达到数倍电源电压。

二、基于IR2104S自举电路

1、综述

上桥臂驱动：自举电路；下桥臂驱动：电平控制。

实际电路设计中，一般把Vgs设置为10~20V，因为这样保证MOS管完全导通。

还有一个问题当MOS管完全导通时，MOS管的内阻Rds一般来说就比较小在几毫欧，就相当于一根导线。但是当MOS管不完全导通时，也就是说Vgs小于开启电压时，MOS就处于不完全导通状态，那么MOS管的内阻就比较大，而电机驱动板的电流也比较大。那么MOS的发热就会非常严重，很可能会烧坏芯片。

2、半桥驱动芯片IR2104S

1）简述

所谓半桥驱动芯片，便是一块驱动芯片只能用于控制H桥一侧的2个MOS管。因此采用半桥驱动芯片时，需要两块该芯片才能控制一个完整的H桥。

相应的，全桥驱动芯片便是可以直接控制4个MOS管的导通与截止，一块该芯片便能完成一个完整H桥的控制。

这里使用的IR2104便是一款半桥驱动芯片，因此在原理图中可以看到每个H桥需要使用两块此芯片。

--------------------------------

2）典型电路设计

--------------------------------

3）引脚功能

VCC为芯片的电源输入，手册中给出的工作电压为10~20V。(这便是需要boost升压到12V的原因)

IN和SD作为输入控制，可共同控制电机的转动状态(转向、转速和是否转动)。

VB和VS主要用于形成自举电路。

HO和LO接到MOS管栅极，分别用于控制上桥臂和下桥臂MOS的导通与截止。

COM脚直接接地即可。

--------------------------------

4）自举电路

此部分是理解该芯片的难点，需要进行重点讲解。从上面的典型电路图和最初的设计原理图中均可发现：该芯片在Vcc和VB脚之间接了一个二极管，在VB和VS之间接了一个电容。这便构成了一个自举电路。

作用：由于负载(电机)相对于上桥臂和下桥臂MOS位置不同，而MOS的开启条件为Vgs>Vth，这便会导致想要上桥臂MOS导通，则其栅极对地所需的电压较大。

因为下桥臂MOS源极接地，想要导通只需要令其栅极电压大于开启电压Vth。而上桥臂MOS源极接到负载，如果上桥臂MOS导通，那么其源极电压将上升到H桥驱动电压也就是MOS的供电电压，此时如果栅极对地电压不变，那么Vgs可能小于Vth，又关断。因此想要使上桥臂MOS导通，必须想办法使其Vgs始终大于或一段时间内大于Vth(即栅极电压保持大于MOS管的电源电压+Vth)。

下图是IR2104S的内部原理框图。此类芯片的内部原理基本类似，右侧两个栅极控制脚(HO和LO)均是通过一对PMOS和NMOS进行互补控制。

自举电路工作流程：

以下电路图均只画出半桥，另外一半工作原理相同因此省略。假定Vcc=12V，VM=7.4V，MOS管的开启电压Vth=6V(不用LR7843的2.3V，原因后续说明)。

(1)、第一阶段：首先给IN输入PWM信号，使HO和LO通过左侧的内部控制电路(使上下两对互补的PMOS和NMOS对应导通)，分别输出低电平和高电平。此时，外部H桥的上桥臂MOS截止，小桥臂MOS导通，电机电流顺着②线流通。同时VCC通过自举二极管(①线)对自举电容充电，使电容两端的压差为Vcc=12V。

-----------------

(2)、第二阶段：此阶段由芯片内部自动产生，即死区控制阶段（在H桥中介绍过，不能使上下两个MOS同时导通，否则VM直接通到GND，短路烧毁）。HO和LO输出均为低电平，上桥臂MOS截止，之前加在下桥臂MOS栅极上的电压通过①线放电。

-----------------

(3)、第三阶段：通过IN引脚输出PWM使左侧的内部MOS管如图所示导通。由于电容上的电压不能突变，此时自举电容上的电压(12V)便可以加到上桥臂MOS的栅极和源极上，使得上桥臂MOS也可以在一定时间内保持导通。此时上桥臂MOS的源极对地电压≈VM=7.4V，栅极对地电压≈VM+Vcc=19.4V，电容两端电压=12V，因此上桥臂MOS可以正常导通。

注意：因为此时电容在持续放电，压差会逐渐减小。最后，电容正极对地电压(即上桥臂MOS栅极对地电压)会降到Vcc，那么上桥臂MOS的栅源电压便≈Vcc-VM=12V-7.6V=4.4V< Vth=6V，高端MOS仍然会关断。

补充总结：

★ 因此想要使高端MOS连续导通，必须令自举电容不断充放电，即循环工作在上述的三个阶段（上下桥臂的MOS处于轮流导通的状态，控制信号输入PWM即可），才能保证上桥臂MOS导通。自举二极管主要是用来当电容放电时，防止回流到VCC，损坏电路。

★ 但是，在对上面的驱动板进行实际测试时会发现，不需要令其上下桥臂MOS轮流导通也可以正常工作，这是因为即使自举电容放电结束，即上桥臂MOS的栅源电压下降到4.4V仍然大于LR7843的Vth=2.3V。

那么在上述驱动板中，自举电路就没有作用了吗?当然不是，由于MOS管的特性，自举电路在增加栅源电压的同时，还可令MOS管的导通电阻减小，从而减少发热损耗，因此仍然建议采用轮流导通的方式，用自举电容产生的大压差使MOS管导通工作。

--------------------------------

5）整体原理图

三、基于RT6204自举电路

经常在IC外围器件中可以看到自举电容，比如下图同步降压转换器(Buck)电路中，Cboot就是自举电容。

为什么要用自举电路呢？这是因为在一些电路中使用MOS搭建桥式电路，对于下管Q2导通条件很好实现，栅极G与源极S之间的电压Vgs超过Vgs(th)后即可导通，Vgs(th)通常比较低，因此很容易实现。

而对于上管Q1而言，源极S本来就有一定的输出，要知道，当上管导通时，漏极D和源极S之间的电压Vds是很小的，如果要想直接驱动栅极G，满足Vgs>Vgs(th)的条件，则需要在栅极G和地之间加一个很高的电压，这个难以实现控制。

自举电路应运而生。有了自举电路，就可以轻松在上管栅极G产生一个高压，从而驱动上管Q1。

具体原理框图如下：

输入总电压VIN经过Internal Regulator后输出一个直流低压V，用于Vboot充电，这个Internal Regulator一般是LDO架构(电子元件-LDO)电源。

当下管Q2导通时，如下图。SW电压为0V，LDO输出电压V→二极管→自举电容C1→下管Q2，通过这条回路对电容进行充电，电容两端两端电压约等于V，此时A点电压也是V。

当下管Q2断开时，如下图。SW位置电压不再是0V，电容两端存储了电压V，A点电压被抬高后比SW位置电压高了V，相当于Q1的栅极G比源极S高了电压V，使得上管Q1导通，此时A点的电压变为V+Vsw，实现了电压抬升，自己把自己的电压举了起来。

下图是某IC自举电容电压实测波形，黄色和绿色曲线分别是电容两端相对于系统GND的电压波形。粉色=V绿-V黄，它是电容两端的电压波形。

引自：https://blog.csdn.net/u013608300/article/details/115025278。

可以看到随着管子的开关，电容两端的电压一直不变，保持为内部LDO的电压，而电容两端相对于系统GND的电压一直在波动，一会被升上去，一会又降下来，以此实现在需要的时候，电容高边的电压足够高，以驱动上管导通。

四、容值的确定

务必使用规格书中记述的容量值，DC偏置特性，不要低于其实际容量。

来源：爱上电路设计