什麼是自舉電路 (bootstrap circuit)？
「自舉」這個詞讓人聯想到一個人靠自己的力量自力更生的形象。在電子世界裡，自舉電路被定義為使用輸出訊號「上拉」輸入訊號的電路。在類比電路中，此技術用於增加放大器的輸入阻抗或提供增強的級線性度（stage linearity）。在切換電路中，自舉是用來開啟高側 MOSFET 的能量，如圖 1 所示。
自舉操作通常使用飛馳電容（flying capacitor）來執行。在這種情況下，飛馳自舉電容器以主動級的輸出為參考，而不是以地為參考。因此，電容器將跟隨輸出並將變化回授到級的輸入。例如，如果該級從以地為參考的 0 變為 50VDC，則充電的 15VDC 電容器的電壓將從以地為參考的 15VDC 變為 65VDC。測量電容器兩端的電壓為恆定的 15VDC，但電容器相對於地浮動。與圖 1 中的自舉電容器 C1 相關的 15 至 65VDC 轉換是本工程簡介的中心主題。
圖 1：此原理圖展示了高度簡化的高側 MOSFET 閘極驅動電路。自舉電容器 C1 為 MOSFET 閘極驅動提供能量。
技術提示：術語「高側」是指以電源為參考的設備。在圖 1 中，MOSFET Q1 的汲極固定至 50VDC 電源。在此原理圖中，D2 是低側裝置。它其中一端接地。高側 N 通道 MOSFET 的驅動具有挑戰性，因為源極是一個移動目標。這需要閘極驅動電路能夠與 MOSFET 的源極一起運行，當 MOSFET 導通時，將 V_{GS} 維持在 15VDC；當 MOSFET 關閉時，將 V_{GS} 維持在 0VDC。閘極驅動必須保持在此視窗內，以防止損壞 MOSFET。
術語「接地參考」是什麼意思？
當應用於電容器時，術語「接地參考」意味著電容器的一側接地。例如，考慮互補輸出直流電源中使用的電源濾波電容器。正軌旁路電容器的負端子接地，而負軌旁路電容器的正端子接地。我們可以說這些電容器和由此產生的電壓軌被釘在地上。
讓我們退後一步，考慮一下我們如何看待電源。我們自然假設所有電源都是以地為參考的。當我們在探測電路時將示波器的接地線放置在底盤上時，我們會條件反射地將這個想法轉化為行動。
這適用於大多數但並非所有應用程式。
飛馳電容器是什麼意思？
術語「飛馳」並不意味著電容器是隨意的。我們絕不建議它是浮動的。相反，在這種情況下，飛馳自舉電容器始終連接（有效地「固定」）到 MOSFET 的輸出。當 MOSFET 在開、關和開之間切換時，電容器的負極端子將在 50、0 和 50VDC 之間切換。
電容器器在接地框架內飛馳。
這是一種不自然的電源思考方式。它會導致典型的測量錯誤或更糟，如技術提示所述。如果我們使用接地參考探頭，15VDC 充電電容器將顯示 65、15 和 65VDC 電壓，如圖 2（左）所示。
圖 2：使用接地參考電壓（左）和電容器兩端測量時的自舉電容器電壓（右）
技術提示：永遠不要忘記示波器是以地為參考的。當我們連接接地線鱷魚夾時，我們將透過探頭、示波器底盤和交流電接地插頭將電路的該點接地。當嘗試測量飛馳組件（例如 C1 兩端的電壓）時，這是有問題的。如果不小心將示波器接地線連接到 MOSFET 的源極，將導致 MOSFET 立即損壞，並可能損壞電源甚至示波器。
如何測量飛馳組件上的電壓？
正確的測量需要差分探頭或示波器，可以在通道 1（電容器正極）和通道 2（電容器負極）之間執行減法運算。
這些現實世界的接地與參考的想法可以在模擬器中使用，如圖 2 所示。
請注意，BootstrapVolts 探頭測量具有允許接地或任意參考的配置設定。圖 2 中的左側面板顯示接地參考訊號，右側面板顯示相對於 REF1 測量的電壓，如圖 1 所示。
自舉電路分析
圖 1 所示的電路是與分別用於驅動有刷和無刷馬達的 H橋或三相 H橋相關的高度簡化的電路。也許您已經見過用於模型遙控 (RC) 汽車或四軸飛行器的電子速度控制器 (ESC) 形式的電路之一。回想一下，ESC 允許對馬達進行變速和方向控制。
雖然圖 1 電路很簡單，但它確實包含高側 MOSFET 驅動器所需的基本組件，包括：
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透過光隔離進行電平轉換，以允許低電平接地參考邏輯訊號驅動 MOSFET。
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高度簡化的閘極驅動器（請參閱下方的技術提示）
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自舉電容及充電電路
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當高側 MOSFET 關閉時，反激二極體使負載換向
技術提示：專用積體電路驅動器為 MOSFET 控制提供可靠的簡化解決方案。單封裝解決方案整合了電平轉換、低阻抗 MOSFET 驅動器和不同等級的保護。MOSFET 驅動器適用於本文介紹的 50VDC 電路，電壓一直可達數千伏特。驅動器可用於單一 MOSFET，包括高側和低側。提供橋臂驅動器、全橋驅動器和三相橋驅動器。
電源
此電路包含三個電源，包括 5VDC、15VDC 和 50VDC。5VDC 電源代表源自微控制器或現場可程式閘陣列 (FPGA) 的邏輯電平控制驅動訊號。15VDC 用於 MOSFET 閘極充電電路。選擇該值是因為它接近 MOSFET 最佳驅動訊號，從而確保低導通電阻，在另一本章有詳細描述。
電平轉換
光隔離器用於將接地參考邏輯電平訊號電平轉換至高側 MOSFET。左側是低電平訊號，如圖 2（左）的綠色訊號所示。右側有一個藍色的時變訊號，如圖 2（左）所示。在此範例中，光隔離器在保守範圍內運行，光學視窗上的最大電壓差為 65VDC。
閘極驅動
閘極驅動直接取自光隔離器的輸出電晶體。使用共集電極配置，以便 NPN 電晶體將 MOSFET 上拉至自舉電壓。關斷時，電阻器 R2 將透過 R4 限流電阻器對 MOSFET 閘極放電。
充其量，這是一個糟糕的電路配置；然而，對於演示目的來說已經足夠了。也許最大的弱點是與發射極電阻器相關的高電流消耗。建議按照技術提示中的建議使用專用 MOSFET 驅動器。
自舉充電電路
二極體 D1 和電阻 R3 用於為自舉電容充電。每次 MOSFET 關閉時都會發生一個充電週期。這種循環如圖 2（右）所示。回想一下，藍線代表電容器兩端測得的電壓。當綠色 PWM 控制訊號關閉時，電壓會升高。當 MOSFET 導通時，電壓降低。仔細檢查充電週期可以發現由 R3 和 C1 時間常數決定的 RC 充電曲線。看似線性的放電歸因於 R2 和 C1 較長的時間常數。
反激式
負載由 10ohm 電阻負載與 1H 電感器串聯組成，以模擬馬達的電感性質。二極體 D2 將箝位電感器反激電壓，防止高壓尖峰損壞 MOSFET。
技術提示：請勿使用自舉電路以 100% 佔空比操作 PWM 驅動訊號。回想一下，當上部 MOSFET 關閉時，自舉電容器 (C1) 就會充電。如果 PWM 不允許 MOSFET 關閉，C1 中的電荷就會消失。隨著閘極電壓降低，高側 MOSFET 將沒有足夠的閘極電壓。MOSFET 將進入線性模式並可能自行損壞。
透過使用電荷泵或其他類型的電源供應器向高側 MOSFET 提供隔離驅動訊號，可以緩解佔空比限制問題。顯然，與優雅的自舉方法相比，這需要額外的電路複雜性。
結論
高側 MOSFET 驅動器是一個優雅的電路。它使用了設計人員工具包中的許多工具，例如透過光學隔離進行電平轉換、反激保護、充電轉向二極體和自舉電容器。當作為完整的集成電路提供時，該電路更加令人印象深刻。下次有機會時，對 RC 電子速度控制器進行逆向工程，看看這些 MOSFET 電路有多緊湊。
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問題
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術語接地參考是什麼意思？
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