Работа с электроникой (и микроконтроллерами в частности) имеет одно интересное свойство - нередко приходится вдыхать жизнь и разум в устройства, которые мигают, жужжат и пыхтят. Обычно эти процессы требуют больше тока, чем может пропустить через себя умная часть схемы, и тогда между логикой и нагрузкой ставится ключ.

При питании постоянным напряжением можно говорить о двух вариантах ключей. Нижний ключ отрубает от нагрузки минус - подходящая работа для NPN-транзистора или N-канального полевика. Верхний ключ коммутирует плюс - обычно сюда ставят PNP или P-канальный... но не всегда.

Открываем даташиты на драйверы IR2101, IR2102 и их 3-фазных братьев - IR2130 и HIP4086. Находим типовые схемы и-и-и что мы там видим?

источник: infineon, IR2101/IR2102 datasheet

В обоих плечах стоят N-канальные полевики. Есть даже одноканальные драйверы верхнего плеча IR2117 и IR2118, так же заточенные под N-MOSFET.

Как такое возможно?

Канал полевого транзистора в открытом состоянии - это, по сути, резистор с очень маленьким сопротивлением. Чтобы перевести канал в такое состояние, нужно вкачать достаточный заряд в затвор - подать на него напряжение относительно истока (V_GS). Для N-канального V_GS - положительная величина, и вот тут с верхним ключом получается засада...

Раз это верхний ключ, то он должен подключать нагрузку к плюсу питания. При этом, раз это N-канальный полевик, то питание будет на стоке (drain), а нагрузка подключена к истоку (source). Значит, при открытом транзисторе мы хотим увидеть на истоке плюс питания, самый высокий доступный потенциал в схеме. Но чтобы транзистор открылся, на затворе требуется потенциал еще больше. Нужен способ прыгнуть выше головы.

Как ни странно, сделать это не слишком-то и сложно. Прием называется bootstrap capacitor, и магия здесь в двух дополнительных компонентах - диоде и конденсаторе (ну и драйвере, который может с ними дружить). В целом, работает это дело в 2 этапа.

Рассмотрим на фрагменте Н-моста. На первом этапе верхний ключ закрыт, нижний открыт и конденсатор "видит землю". Если он разряжен, то через него сквозь диод и сквозь нижний ключ протекает ток. До тех пор, пока конденсатор не зарядится до напряжения питания драйвера.

На втором этапе нижний ключ закрывается и у конденсатора "земля уходит из-под ног". Напряжение на конденсаторе итак не может измениться мгновенно, а уж в присутствии обратно включенного диода - и подавно. Поэтому с точки зрения драйвера он превращается в батарейку, которая подсоединяется минусом к истоку верхнего полевика. Теперь затвор сможет получить нужное ему V_GS выше питания, транзистор откроется и все будут довольны.

С идеальными компонентами верхний ключ можно было бы держать открытым вечно. Но все же конденсатор потихоньку разряжается из-за токов утечки, паразитных сопротивлений и прочих обидных вещей. Поэтому надо периодически повторять первый этап - закрывать верхний ключ и давать конденсатору дозарядиться.

В расчете номинала конденсатора главные роли играют два параметра. Первый из них - Q_g транзистора (total gate charge), измеряемый в кулонах и указанный в даташите. Второй - допустимое уменьшение напряжения на конденсаторе после того, как он отдаст заряд затвору. Эта величина выбирается инженером с опорой на характеристики драйвера, список использованных номиналов и впечатления от обеда в заводской столовой. В итоге остается лишь поделить одно на другое:

C = Q/ΔV

Если время включения верхнего ключа может быть достаточно большим, то при расчете учитываются упомянутые утечки. Более подробные формулы и примеры рассчета можно посмотреть в аппноутах AN-6076 от ON Semiconductor или AN9324 от Intersil. Обычно адекватные номиналы конденсатора лежат в пределах от сотен нФ до единиц мкФ.

Ради чего вся эта макарена? Ну, для начала, N-канальные полевики считаются более дешевыми, надежными и вообще "более лучшими" в сравнении с аналогичными P-канальными. Кроме того, оптимизация перечня элементов - для снабженца один тип транзисторов лучше разных двух. И даже если сделать "по логике" и поставить P-канальный в верхнее плечо, все равно могут потребоваться дополнительные усилия, особенно если напряжение в силовой части выше, чем питание драйвера.