什么是自举电路？
"自举"一词让人联想到一个人拽着鞋带把自己提起来的画面。在电子学中，自举电路被定义为利用输出信号来"拉升"输入信号的电路。在模拟电路中，该技术用于提高放大器的输入阻抗或增强级间线性度。在开关电路中，自举电源是用于开启高端MOSFET的能量来源，如图1所示。
自举操作通常通过"浮动"电容器实现。在此情境下，浮动自举电容是相对于有源级输出端而非接地端作为参考。因此，电容器将跟随输出变化，并将这些变化反馈至该级的输入端。例如，当某级电路从接地参考的0V升至50VDC时，已充电的15VDC电容器电压将从接地参考的15V升至65VDC。电容器两端测得的电压保持恒定的15VDC，但该电容器相对于地是浮动的。图1中自举电容C1相关的15至65VDC跃迁是本技术简报的核心主题。
图 1 ：该原理图展示了一个高度简化的高端MOSFET栅极驱动电路。自举电容C1为MOSFET栅极驱动提供能量。
技术提示 ："高端"指代以电源为参考的器件。图1中MOSFET Q1的漏极直接连接50VDC电源。在此原理图中，D2是低端器件。它直接接地。高端N沟道MOSFET的驱动具有挑战性，因为其源极是动态变化的。这要求栅极驱动电路能跟随MOSFET源极V_{GS}浮动，在MOSFET导通时保持V_{GS}VGS为15VDC，关断时保持VGS为0VDC。栅极驱动必须控制在此窗口范围内，以防MOSFET损坏。
“ 以地面为参考 ” 这个术语是什么意思？
当应用于电容器时，"接地参考"意味着电容器一端接地。例如，考虑互补输出直流电源中使用的电源滤波电容。正轨旁路电容的负极接地，而负轨旁路电容的正极接地。可以说这些电容及其产生的电压轨都是固定接地的。
让我们退一步思考电源系统的认知方式。我们天然认为所有电源都以地为参考。当我们将示波器地线夹接至机箱进行电路探测时，这种思维会直接转化为操作行为。
这对多数应用适用，但并非全部。
何为 " 浮动电容 " ？
“浮动"一词并不意味着电容处于自由状态。我们绝非暗示其处于悬浮状态。在此语境下，浮动自举电容始终连接——实质上是"固定”——在MOSFET的输出端。随着MOSFET在导通、关断、导通间切换，电容负端将在50V、0V和50V直流间跳变。
该电容在接地框架内浮动。
这种电源认知方式有违常规。如技术提示所述，这会导致典型测量误差甚至更严重后果。若使用接地参考探头，15V直流充电电容将显示65V、15V和65V直流电压，如图2（左）所示。
图 2 ：接地参考测量（左）与跨电容测量（右）时自举电容的电压对比。
技术提示 ：永远记住示波器是以地为参考的。当连接接地鳄鱼夹时，我们实际上通过探头-示波器机箱-交流接地插头将接地点引入电路。这在测量浮动元件（如C1两端电压）时会产生问题。若将示波器地线随意接至MOSFET源极，会立即损毁MOSFET，并可能损坏电源甚至示波器。
如何测量浮动元件两端电压？
正确测量需使用差分探头或具备通道1（电容正极）与通道2（电容负极）减法功能的示波器。
这些实际接地与参考概念可应用于图2所示仿真器。注意BootstrapVolts探头测量设有配置选项，可选择接地或任意参考点。图2左侧显示接地参考信号，右侧显示相对于图1中REF1的测量电压。
自举电路分析
图1所示电路是高度简化的H桥或三相H桥电路，分别用于驱动有刷和无刷电机。或许您曾在遥控车或四轴飞行器的电子调速器（ESC）中见过此类电路。需知电子调速器(ESC)能控制电机的变速与转向。
图1电路虽简单，却包含了高端MOSFET驱动所需的核心组件：
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通过光耦隔离实现电平转换，使接地逻辑信号能驱动MOSFET
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高度简化的栅极驱动器（参见下方技术提示）
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自举电容及充电电路
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用于高端MOSFET关断时负载换向的续流二极管
技术提示 ：专用集成驱动芯片能为MOSFET控制提供可靠简化方案。这种单芯片方案集成了电平转换、低阻抗MOSFET驱动及多级保护功能。现有MOSFET驱动器可适配本文所述的50V直流电路，直至数千伏应用。驱动器支持单个MOSFET配置，涵盖高低端驱动。除桥臂驱动器外，还有全桥和三相桥驱动器可选。
电源
电路包含5V、15V和50V三组直流电源。5V电源为微控制器或FPGA产生的逻辑电平控制信号。15V电源用于MOSFET栅极充电电路。该电压值接近MOSFET最佳驱动信号，可确保如本文所述的低导通电阻。50V电源最终为负载提供能量。
电平转换
光耦器用于将接地逻辑信号电平转换至高端MOSFET。左侧绿色信号（图2左）代表低电平信号。右侧蓝色信号（图2左）为时变信号。本例中光耦器工作于保守区间，光窗两端最大压差65V。
栅极驱动器
栅极驱动直接取自光耦输出晶体管。采用共集电极配置，NPN晶体管将MOSFET拉升至自举电压。关断时，电阻R2通过限流电阻R4释放MOSFET栅极电荷。
这充其量是种简陋电路，但足以满足演示需求。最大缺陷或是射极电阻导致的高电流损耗。建议按照技术提示使用专用MOSFET驱动器。
自举充电电路
二极管D1和电阻R3用于给自举电容充电。每当MOSFET关断时就会发生充电周期。这种周期性变化体现在图2（右）中。注意蓝线表示电容两端测得的电压。当绿色PWM控制信号关闭时电压上升。当MOSFET导通时电压下降。仔细观察充电周期可发现由R3和C1时间常数决定的RC充电曲线。看似线性的放电现象源于R2和C1的较长时常数。
反激
负载由10Ω电阻与1H电感串联组成，用于模拟电机的感性特性。二极管D2将钳位电感反激电压，防止高压尖峰损坏MOSFET。
技术提示 ：使用自举电路时，PWM驱动信号占空比切勿设为100%。注意自举电容(C1)在上管MOSFET关断时充电。若PWM始终不让MOSFET关断，C1电荷将逐渐耗尽。栅极电压降低会导致高端MOSFET驱动电压不足。MOSFET将进入线性工作区并可能自毁。
可通过电荷泵或其他隔离电源为高端MOSFET供电，从而缓解占空比限制问题。显然相比优雅的自举方案，这会增加电路复杂度。
结论
高端MOSFET驱动器是个精妙的电路。它运用了光耦电平转换、反激保护、充电导向二极管及自举电容等设计工具。当以完整集成电路形式呈现时更令人印象深刻。下次有机会时，不妨拆解RC电子调速器看看这些MOSFET电路能有多紧凑。
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敬请关注后续文章将展示如何搭建H桥实验电路，并通过文末的测试题与思考题检验电路知识。