关于图腾柱驱动的点点滴滴!

玩转单片机 2019-04-14 08:00


为什么取名图腾柱? 


由于此结构画出的电路图有点儿像印第安人的图腾柱,所以叫图腾柱式输出(也叫图腾式输出)。输出极采用一个上电阻接一个NPN型晶体管的集电极,这个管子的发射极接下面管子的集电极同时输出;下管的发射极接地。两管的基极分别接前级的控制。就是上下两个输出管,从直流角度看是串联,两管联接处为输出端。上管导通下管截止输出高电平,下管导通上管截止输出低电平,如果电路逻辑可以上下两管均截止则输出为高阻态。在开关电源中,类似的电路常称为“半桥”。

一种比较有意思的解释:

图腾大多是出于部落中对生殖器官及其能力的崇拜,因为古时人类的寿命很短,生存困难,所以对能增加生存能力的生殖力很看重,说到男性身上就是这个人的那个能力很强,部落里的人就会很佩服他。图腾柱驱动在电路上也具备了同样的能力:向上向下的推动和下拉力量很强,速度很快,而且只要有电就不知疲倦。

    图腾柱驱动的作用与原理

图腾柱驱动的作用:

图腾柱型驱动电路的作用在于:提升电流驱动能力,迅速完成对于门极电荷的充电或者放电的过程。

什么情况下用到图腾柱驱动?

某些管子可能需要比较大的驱动电流或者灌电流,这时候就需要用到图腾柱电路。

分析一下图腾柱提升驱动的原理

器件作用说明:

Qn:N BJT

Qp:P BJT

Qmos:待驱动NMOS

Rb:基极电阻

Cb:加速电容

Rc:集电极电阻

Rg:驱动电阻

原理分析:

左边一个输入驱动信号Drv_b(驱动能力很弱)通过一个图腾柱输出电路,从三极管的发射极公共端出来得到驱动能力(带载能力)大大增强的信号Drv_g;从能量的角度来讲,弱能量信号Drv_b通过Qn和Qp的作用,从Vcc取电(获取能量),从而变成了携带高能量的Drv_g信号;在这个能量传递的过程中,Qn和Qp分别交替工作在截至和饱和状态;

具体工作过程(逻辑分析)如下:

这里以方波为例,1代表高电平,0代表零电平,-1代表负电平;Vb表示Qn和Qp的公共基极电压,Vqn_c表示Qn管子的集电极电压,Vqn_be表示Qn管子基极-发射极电压,Vqp_be表示Qp基极-发射极电压

当输入驱动信号Drv_b=1则Vb=1,Vqn_be=1,由于:Qn两端有一个Vcc电压,即Vqn_ce=1,所以,Qn管饱和导通,Qn管电流主要由集电极流向发射极,Drv_g=1,这时MOS管结电容迅速充电; (Qn管饱和导通,能量由Vcc提供驱动能力大大增强)

当输入电压为低电平Drv_b=0则Vb=0,Vqp_be=-1,由于MOS管上的结电容存在电压,即Vqp_ec=1,所以,Qp管饱和导通,Qp管电流主要由发射极流向集电极,Drv_g=0;这时MOS管结电容迅速放电;(Qp管饱和导通,MOS管放电速度加快)




实际分析一个图腾柱驱动电路的驱动能力



电路描述

图腾柱放大电路由两个三极管Q2和Q3构成,上管是NPN型三极管,下管是PNP型三极管;NPN型三极管的集电极接变压器辅助绕组供电输出端,与R7相连,与芯片共用同一VCC,供电电压为20V,该电路从直流角度看是串联的,两对管共射联接处为输出端,本电路结构类似于乙类推挽功率放大器OCL。

理论分析

GATE输出的方波信号正负两个半周(高-低电平)分别由推挽输出级Q2、Q3的两“臂”轮流运算放大,每一“臂”的导电时间为脉冲的半个周期,此处方波脉冲的工作频率为25-50KHz(该频率根据负载的不同而变化)。电路工作的逻辑过程是,高电平输入,上管导通下管截止,输出高电平;低电平输入,下管导通上管截止,输出低电平;当电路逻辑的上下两管均截止时,则输出为高阻态。在开关电源电路中,类似的电路常称为“半桥”。图腾柱简化及等效电路图如下

理论计算如下:

A、工作状态分析

静态:Vi=Vo→→Q2、Q3均不工作,Vo=0V

动态:Vi=H(高电平)→→Q2导通、Q3截止;Vi=L(低电平) Q3导通、Q2截止;两只三极管分别在半个周期内工作,该电路的工作原理类似于乙类推挽功放。

由等效电路可知:驱动电流Io=C×(Vgs÷Dt)=(Vcc-Vgs)÷R,由此推出如下关系式:

Vcc=Vgs*(1+RC/Dt)   

∵て=RC<<Dt,  

∴Vcc≈Vgs

由此看出,从直流电压的角度来考虑,只要Vcc电压正常,并大于MOSFET的门电压,足以使MOSFET永远工作在开/关状态,本电路VCC电压设计值为20V。

B、电流放大倍数

在上述电路中: R8为图腾电路的输入电阻,R8取值为100Ω;R4为图腾电路的输出电阻取值为10Ω。为了便于理解和推广,避开繁琐的数学计算,在正常工作状态下,直接测量图腾电路的输入电阻R8和输出电阻R4两端的峰值电压,通过测量的峰值电压来初略计算电路的输入和输出端的峰值电流,以此验证引入电路的实际效果。

①、测试R8的电压波形计算图腾电路的输入峰值电流,计算过程如下:

测量结果:

∵Vip=3.0V,R=100Ω(设计值)

∴ Iip=Vip÷R8=3÷100=30mA;

②、测试R4的电压波形计算图腾电路的输出峰值电流,计算过程如下:

测量结果:

∵Vop=9.6V,R=10Ω(设计值)  

∴ Iop=Vop÷R4=9.6÷10=960mA。

由此可见,图腾逻辑电路的输出峰值电流Iop是输入峰值电流Iip的32倍。


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