วงจรบูตสแตรปสำหรับไดรเวอร์ MOSFET ระดับสูง

ฉันคุ้นเคยกับการใช้งาน bootstrap drivers บน MOSFET driver ICs สำหรับการสลับ MOSFET high-channel N-channel การดำเนินการขั้นพื้นฐานครอบคลุมอย่างละเอียดถี่ถ้วนในเว็บไซต์นี้และอื่น ๆ

สิ่งที่ฉันไม่เข้าใจก็คือวงจรตัวขับเคลื่อนด้านสูงเอง เนื่องจากตัวขับที่ดีนั้นดันและดึงกระแสจำนวนมากจึงทำให้รู้สึกว่ามีทรานซิสเตอร์อีกคู่อยู่ภายใน IC เพื่อขับ VH พินสูงหรือต่ำ เอกสารข้อมูลจำนวนมากที่ฉันได้ดูดูเหมือนจะระบุว่าพวกเขาใช้คู่ P-channel / N-channel (หรือ PNP / NPN) การนำโครงสร้างชิป IC ออกไปฉันจินตนาการว่าวงจรมีลักษณะดังนี้:

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

ดูเหมือนว่าเราเพิ่งจะแนะนำปัญหาการเรียกซ้ำ สมมติว่าโหนดที่ทำเครื่องหมายว่า "floating" สามารถเป็นไฟฟ้าแรงสูงตามอำเภอใจไดรฟ์ M3 และ M4 นั้นยังไม่ต้องการไดรฟ์เวอร์ตัวอื่นในการขับเคลื่อนไดร์เวอร์ ( และต่อไปเรื่อย ๆ )? นี่ก็คือสมมติว่าไดรฟ์เวอร์ด้านสูงนั้นถูกควบคุมในท้ายที่สุดโดยสัญญาณระดับตรรกะบางชนิด

กล่าวอีกนัยหนึ่งเมื่อได้รับแรงดันไฟฟ้าลอยสูงตามอำเภอใจไดรฟ์แบบผลักดึงของ M3 และ M4 เปิดใช้งานโดยสัญญาณระดับลอจิกที่มาจากชิพอย่างไร

จุดชี้แจง : คำถามเฉพาะที่ฉันถามนั้นเกี่ยวกับการเปิดใช้งานไดรฟ์ bootstrap แบบ push-pull แบบดึงด้านสูงพร้อมสัญญาณระดับตรรกะ เมื่อแรงดันไฟฟ้าด้านสูงค่อนข้างต่ำฉันรู้ว่านี่เป็นเรื่องเล็กน้อย แต่ทันทีที่แรงดันไฟฟ้าเกินพิกัด Vds และ Vgs ปกติของทรานซิสเตอร์สิ่งนี้ยากที่จะทำ ฉันคาดหวังว่าวงจรการแยกบางอย่างจะมีส่วนร่วม คำถามของฉันคือสิ่งที่วงจรไฟฟ้าดูเหมือนว่า

ฉันรู้ว่าหาก M4 เป็น P-channel FET (หรือ PNP) วงจรบูตสแตรปอันอื่นก็ไม่จำเป็น แต่ฉันมีปัญหาในการกำเนิดวงจรที่จะสร้าง Vgs ที่เหมาะสมสำหรับทั้ง M4 และ M3 เนื่องจากทรานซิสเตอร์ภายนอกถูกสลับไปมา

ต่อไปนี้เป็นภาพหน้าจอที่รวบรวมจากเอกสารข้อมูลที่แตกต่างกันสองรายการที่แสดงวงจรที่คล้ายกับสิ่งที่ฉันวาดไว้ด้านบน ไม่เข้าไปดูรายละเอียดใด ๆ เกี่ยวกับวงจรไดรเวอร์ "กล่องดำ"

จากMIC4102YM :

และFAN7380 :

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

$V_{cc}$$V_\text{High Voltage}$$V_{BS}$

$V_\text{Boot Strap}$

ในแผนผังด้านล่าง VCC เป็นแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าของส่วนที่เหลือของวงจร เมื่อปิด MOSFET กราวด์ของวงจรสายบูตจะเชื่อมต่อกับกราวด์วงจรดังนั้น C1 และ C2 จะชาร์จจนถึงระดับ Vcc เมื่อสัญญาณอินพุทมาถึงเพื่อเปิด MOSFET วงจรกราวด์ของเกตไดรฟ์จะเพิ่มขึ้นตามแรงดันไฟฟ้าของมอสเฟต ไดโอด D1 จะป้องกันแรงดันสูงนี้ดังนั้น C1 และ C2 จะจ่ายไฟให้วงจรการขับขี่ในเวลาที่กำหนด เมื่อ MOSFET ถูกปิดอีกครั้ง C1 และ C2 จะเติมประจุที่หายไปจาก VCC

เกณฑ์การออกแบบ:

• ต้องเลือก RB ให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ซึ่งจะไม่สร้างความเสียหาย D1
• ต้องเลือกความจุ C2 ให้เพียงพอในการจัดหาวงจรการขับขี่ในเวลาที่ยาวนานที่สุด
• $V_\text{High Voltage} - V_\text{CC}$

สัญญาณอินพุตจะต้องถูกแยกออกจากวงจรสายบูต บางตัวแยกที่เป็นไปได้คือ:

Optocoupler

$\mu$$\mu$

Pulse Transformer

Pulse Transformer เป็นหม้อแปลงชนิดพิเศษสำหรับถ่ายโอนพัลส์รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า พวกเขามีจำนวนรอบน้อยลงเพื่อหลีกเลี่ยงความจุและการเหนี่ยวนำของกาฝากและแกนใหญ่สำหรับชดเชยการสูญเสียการเหนี่ยวนำเนื่องจากจำนวนรอบที่ลดลง มันเร็วกว่าออปโตคัปเปลอร์ เวลาล่าช้าน้อยกว่า 100ns โดยทั่วไป ภาพด้านบนใช้สำหรับประกอบการอธิบายเท่านั้น ในทางปฏิบัติกระแสที่สามารถให้ได้นั้นไม่เพียงพอสำหรับการขับ MOSFET อย่างรวดเร็ว ดังนั้นพวกเขาต้องการวงจรเพิ่มเติมในทางปฏิบัติ

ตัวแยกเกตประตู

การขับเกททางแยกเป็นเทคโนโลยีที่ค่อนข้างใหม่ ความซับซ้อนทั้งหมดของการขับขี่เกตนั้นถูกห่อหุ้มด้วยชิปตัวเดียว พวกมันเร็วพอ ๆ กับพัลส์ทรานสดิวเซอร์ แต่พวกมันสามารถให้กระแสเกตเกตได้ไม่กี่แอมแปร์ ผลิตภัณฑ์บางตัวยังมีตัวแปลง DC-DC แบบแยกได้บนชิปดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีสายรัดสำหรับบูต อย่างไรก็ตามฟีเจอร์สุดพิเศษเหล่านี้มาพร้อมกับราคา

อืม IC มีวงจร "เลื่อนระดับ" ภายใน

และวงจร shift ระดับอาจเป็นเช่นนี้นี่คล้ายกับ FAN7380:

$V_{SRC}$$V_{BST}$

และด้านล่างคือบล็อกไดอะแกรมของ IR2110 (จาก International Rectifier AN978-b):