Bootstrap capacitor design for high and low side gate driver

一、前言

由於佔用 PCB 空間小與設計簡單的優點，常使用 high and low side gate driver IC 作為半橋、全橋、Synchronous Buck Converter ... 等常用電源轉換器架構的 MOSFET 驅動 IC。在此類型的 IC 應用中，bootstrap capacitor 是其中一個最重要的關鍵元件 ( 如下圖 1 的 C_boot )，用於提供 high side 驅動器所需的電源電壓。如下圖 2 ^{( 註 1 )}是 onsemi 的 FAN8811 block diagram，IC 內部是由 2 個 driver 電路所組成，由於 high side 的電位會隨著上臂 MOSFET Q_H 的 S-pin 電位跳動，因此無法直接以 V_DD 供電，需要藉由 bootstrap 電路將 V_DD 電壓轉換到 bootstrap capacitor 上，再由 bootstrap capacitor 供電給 high side driver，讓 high side driver 能正常工作。本文將介紹 bootstrap 電路的工作原理，並提供設計 bootstrap capacitor 容量的設計方法。

圖 1：High and Low Side Gate Driver 典型應用。

圖 2：onsemi FAN8811 high and low side gate driver block diagram。

二、Bootstrap Capacitor 動作分析

high and low side gate driver 內部是由 2 個不同電壓電位的 gate driver 所組成，high side 的電源供電由 bootstrap capacitor 提供。適當的設計 bootstrap capacitor 是 driver IC 與 MOSFET 良好穩定工作的基礎。

下圖 3 為 bootstrap capacitor 充電與放電時的電路狀態，當 MOSFET Q_H turn off & Q_L turn on 時，C_boot 由 VCC 經 R_boot 與 D_boot 充電。當 MOSFET Q_L turn off & Q_H turn on 時，C_boot 提供 IC 內部及 MOSFET Q_H 的驅動電源，此段時間為 bootstrap capacitor 的放電時間。

( a ) ( b )

圖 3 : ( a ) Q_H turn off、Q_L turn on 時，C_boot 由 VCC 經 R_boot 與 D_boot 充電。

( b ) Q_L turn off、Q_H turn on 時，C_boot 提供 IC 內部及 Q_H 的驅動電源。

三、Bootstrap Capacitor 容量設計計算

為確保 bootstrap capacitor 能夠提供足夠的電壓，bootstrap capacitor 上的最大允許壓降需考慮驅動 IC 內部的欠壓鎖定電位，當上臂 Q_H 導通時，如果 bootstrap capacitor 電壓下降到 UVLO 以下，驅動 IC 就會關閉 high side 驅動器。因此，選擇正確的 C_boot 值對於設計非常重要。根據以上分析 bootstrap capacitor 的最大變化量可得出以下方程式^{( 註 1 ) ( 註 2 )} :

其中 : V_DD : Gate drive IC supply voltage

V_F: Static forward voltage drop of bootstrap diode ( D_boot )

V_HB,UVLO : HB Under−Voltage Lockout level ( high side driver )

由於 MOSFET 完全打開的所需的電荷量為 Q_g，bootstrap capacitor 所需的總電荷 ( Q_BS ) 可以通過將 MOSFET 的 Q_g 與驅動 IC 中的 high side 部分於 high side MOSFET turn on 時間消耗的電荷相加來計算 :

Q_BS = Q_g+( I_HBS x T_ON )

其中 : Q_BS : Total gate charge of bootstrap capacitor

Q_g : Gate charge of the MOSFET

I_HBS: Quiescent current in High side gate drive IC.

T_ON: Turning on of MOSFET ( high side )

計算最小 bootstrap capacitor 容值可由下式計算 :

若上臂 MOSFET G-S pin 有並聯電阻 R_GSH 也要將此電阻消耗考慮進來 :

Q_BS = Q_g+( I_HBS x T_ON ) + Q_{R_GSH}

以下舉例一實際應用例子 :

Gate Drive IC 選用 FAN8811 ( onsemi )

Switching Device ( MOSFET ) : NTMFS10N7D2C ( onsemi )

VCC = 15 V

MOSFET Q_g = 44 nC

T_ON = 25 µs ( Duty=50% at fs=20KHz )

R_GSH = 10kΩ
Q_{R_GSH} ≈ ( 15V/10KΩ ) x 25us =37.5nC

假設 ΔV_{C_boot} 設定 3 %，注意 ΔV_{C_boot}設定必須小於上式 ΔV_{C_boot , MAX}

故，bootstrap capacitor 選用 220nF。

( 註 1 ) 參考 onsemi FAN8811 datasheet.

( 註 2 ) 參考 onsemi NCP51530 datasheet.

四、結論

high and low side gate driver IC 是電源供應器及馬達等產品常用的開關驅動元件。其中 bootstrap capacitor 適當的設計是 IC 穩定工作的重要條件，藉由本文的分析及計算方法可以快速計算出最小值並選用適當的容值。

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