自举电路的作用与工作原理

自举电路(Bootstrap Circuit)是一种在电子电路中广泛应用的升压技术，其核心作用是通过电路自身的工作状态提升某个节点的电压，而无需增加外部电源电压。自举电路也叫升压电路，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。以下是自举电路的主要作用及其应用场景：

1. ‌提升电压‌

自举电路的核心功能是提升电压。它通过利用自举电容和自举二极管等元件，将电容放电电压与电源电压叠加，从而实现电压的升高。例如，在MOS管驱动电路中，自举电路可以为上管提供高于电源电压的驱动电压，确保其正常导通。

2. ‌优化MOS管驱动‌

在桥式电路中，自举电路解决了上管MOS管驱动电压不足的问题。由于上管的源极电压会随输出变化，直接驱动栅极难以满足导通条件。自举电路通过提升栅极电压，确保上管能够持续导通。

3. ‌提高电源效率‌

在开关电源等应用中，自举电路可以减少电源损耗，提高效率。例如，在IGBT驱动电路中，自举电路为高压栅极驱动提供能量，简化了电路设计并降低了成本。

4. ‌增强抗干扰能力‌

自举电路可以提高逻辑门的阈值电压，从而增强电路的抗干扰能力。这在数字电路中尤为重要，能够有效减少噪声对电路性能的影响。

5. ‌扩大放大器动态范围‌

在模拟电路中，自举电路可以提升放大器的输入电压范围，从而扩大其动态范围。这对于需要处理大信号的应用场景非常有用。

6. ‌减少电源噪声‌

自举电路通过提升关键节点的电压，能够减少电源噪声对电路性能的影响，从而提高电路的稳定性和可靠性。

实际选择时我们可能考虑更多的是自举电阻太小限制：

1、充电电流过大在小功率输出应用触发采样电阻过流保护

2、过小的自举电阻可能会造成更高的dVbs/dt,从而产生更高的Vs负压，关于Vs负压的危害我们会在后面继续讨论。

3、充电电流过大容易导致充电阶段Vcc电压过低，造成欠压保护。

4、容易造成自举二极管过流损坏。

自举电路设计要点

为了保证自举电路能够正常工作，需要注意很多问题：

1、开始工作后，总是先导通半桥的下桥臂IGBT，这样自举电容能够被重新充电到供电电源的额定值。否则可能会导致不受控制的开关状态和/或错误产生。

2、自举电容Cboot的容量必须足够大，这样可以在一个完整的工作循环内满足上桥臂驱动器的能量要求。

3、自举电容的电压不能低于最小值，否则就会出现欠压闭锁保护。

4、最初给自举电容充电时，可能出现很大的峰值电流。这可能会干扰其他电路，因此建议用低阻抗的自举电阻限流。

5、一方面，自举二极管必须快，因为它的工作频率和IGBT是一样的，另一方面，它必须有足够大的阻断电压，至少和IGBT的阻断电压一样大。这就意味着600V的IGBT，必须选择600V的自举二极管。

6、当选择驱动电源Vcc电压时，必须考虑驱动器内部电压降及自举二极管和自举电阻的压降，以防止IGBT栅极电压不会太低而导致开通损耗增加。更进一步，所确定的电压必须减去下管IGBT的饱和压降，这样导致上下管IGBT在不同的正向栅极电压下开通，因此Vcc应当保证上管有足够的栅极电压，同时保证下管的栅极电压不会变的太高。

7、用自举电路来提供负压的做法是不常见的，如此一来，就必须注意IGBT的寄生导通。

最后，自举电路也有一些局限性，有些应用如电机驱动的电机长期工作在低转速大电流场合，下管的开通占空比一直比较小，造成上管的自举充电不够，这种情况需要在PWM算法上做特定占空比补偿或者独立电源供应。

自举电路在电子系统中通过独特的电压提升机制实现多维度性能优化，其核心价值体现在提升信号处理能力、增强系统稳定性、优化电源管理三个方面。该电路通过电容储能与动态电压调节技术，在放大电路、逻辑电路和电源系统中发挥关键作用，有效解决电压摆幅受限、噪声干扰和能耗控制等核心问题。

1. 扩展信号处理动态范围

在放大电路应用中，自举电路通过储能电容在交流通路中建立附加电势。当放大器输入端接收大信号时，电容充电形成的叠加电压使晶体管偏置电压动态提升，突破传统电路受限于电源电压的输入范围限制。这种动态偏置调节可使放大器的有效输入摆幅提升30%-50%，在音频功放和传感器信号调理电路中显著改善信号保真度。

2. 增强数字系统抗干扰性能

在CMOS逻辑门电路中，自举网络通过提升驱动管的栅极过驱电压，使逻辑阈值向电源轨方向偏移。这种阈值重构机制将噪声容限提升约200mV，有效抑制地弹噪声和串扰引发的误触发。实验数据显示，采用自举结构的数字电路在同等噪声环境下误码率可降低1-2个数量级，特别适用于工业控制等恶劣电磁环境。

3. 优化电源噪声抑制特性

电源旁路电容与自举电容构成的混合网络形成双重滤波结构。当电源出现高频纹波时，自举电容维持的局部高阻抗节点可衰减80%以上的共模噪声。在ADC参考电压电路中，这种结构使电源抑制比(PSRR)提升15-20dB，确保精密测量系统的有效分辨率。

4. 提升功率转换效率

开关电源拓扑中，自举电路通过浮动驱动技术实现功率MOSFET的完全导通。当Boost控制器工作时，自举二极管和电容组成的电荷泵将栅极驱动电压抬升至超出输入电源电压，使MOSFET导通电阻降低60%-70%。这种强驱动方式将典型DC-DC转换器的效率曲线平坦区扩展20%负载范围，在轻载条件下仍保持85%以上的转换效率。