DC/DC基本原理8 (Buck Converter) : 什麼是自舉式電路？ What is Bootstrap circuit?
作者:Minepower 伏特羊
I. DC/DC Buck Converter (N-Channel MOSFET)
在降壓轉換器應用中，基於閘控電壓極性、元件尺寸和串聯電阻等多種因素，使用P-Channel MOSFET(PMOS)或N-Channel MOSFET(NMOS)作為主開關，其中NMOS在產品選擇上更受青睞，原因在於它具有較低的導通電阻和較小的尺寸。而同步降壓轉換器應用則幾乎是使用NMOS作為開關，其原因可能涉及多方面的考慮：
1. 成本效益： NMOS通常比PMOS更便宜。在大多數製程技術中，製造NMOS晶體管的成本相對較低，這是一個影響選擇的關鍵因素。
2. 效能和效率：NMOS的導通電阻通常比PMOS低，這有助於提高轉換器的效率。此外，NMOS在某些方面的性能可能使其在高頻應用中更為適用。
3. 技術發展：隨著半導體技術的發展，NMOS的性能和可靠性已經提高。因此，製造商可能更傾向於使用NMOS，以充分利用這些技術進步。
4. 溫度管理： NMOS在一些情況下可能具有更好的熱性能，這是因為它的元件熱阻通常比PMOS小，這可能對裝置的溫度管理和散熱產生重大影響。
NMOS在作為開關使用時具有低的導通電阻，這有助於提升效率，如果導通電阻相同情況下，NMOS的價格通常又比PMOS便宜。
NMOS相比於PMOS有許多優勢，在同步降壓轉換器應用上、下橋幾乎是使用NMOS作為開關，其中下橋的NMOS導通條件很容易實現，閘極(G)與源極(S)之間的電壓VGS超過Vth(臨界電壓)即可導通。
然而要使用NMOS作為上橋開關並完全處於導通狀態，就必須提供充足的VGS(閘極-源極電壓)，當上橋MOS導通時，汲極(D)和源極(S)電壓接近相等，兩端點之間的電壓差VDS是很小的，如果要驅動閘極(G)，必須滿足VGS>Vth的條件，則需要在閘極(G)和GND之間增加電壓；換句話說，也就是VGS電壓必須高於汲極電壓（Drain Voltage），否則無法有效導通上橋MOSFET，為了達到此功能還必須需搭配額外電路，此電路即是自舉式電路。
因此，DC/DC Buck Converter 上橋使用 N-Channel MOSFET就需要搭配自舉式電路才能保持上側開關完全處於導通狀態，自舉式電路的作用就是提供比漏極電壓還高的電壓，保持上側開關導通狀態。
II. 自舉式電路 (Bootstrap circuit)架構與基本原理
自舉式電路常用於同步或非同步降壓轉換器，以幫助高側MOSFET中的開關動作，自舉式電路構造簡單，僅需自舉式二極體以及自舉式電容即可構成自舉式電路，其架構如圖1所示。
圖1. 自舉式電路 (Bootstrap circuit)架構
自舉式電路運作時，主要可分為兩個階段動作，分別為充電階段、自舉與放電階段。當高、低側開關導通/截止時，自舉式電路的充/放電運作狀態如圖2、圖3所示。
1.充電階段:
當低側MOSFET導通（高側MOSFET截止）時，其中自舉電容器開始充電。此時電流迴路是VCC電壓源經由自舉二極體再連接至自舉電容器，自舉電容器的一端連接到固定的電壓源，而另一端則是連接到開關節點，而當低側MOSFET導通時，開關節點基本上是接地的，因此構成一個迴路，對自舉電容器進行充電。
圖2. 自舉式電路 (Bootstrap circuit)充電迴路2.自舉與放電階段:
當高側MOSFET導通（低側MOSFET截止）時，開關節點的電壓開始上升。自舉電容器的另一端，連接到高側Gate Driver電源電壓，其電源電壓也隨之上升，當Driver驅動高側MOSFET的閘極時，它會在這升高的電源電壓下輸出所需的閘極電荷，使得高側MOSFET能夠導通。自舉電容器緩慢地放電，為高側MOSFET提供必要的閘極電荷。只要自舉電容器能夠保持足夠高的電壓，以使其處於飽和狀態，高側MOSFET就會保持導通狀態。
參考文獻:
https://www.edntaiwan.com/20180331ta01-p-channel-and-n-channel-mosfets-in-switched-mode-power-supply-applications/
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