硬件电路设计之“推挽输出”

本文主要介绍推挽电路的结构及工作过程。



推挽电路又叫图腾柱电路,图腾柱型驱动电路的作用:提升电流提供能力(驱动能力强,因为输出阻抗小),迅速完成对门极电荷的充电过程,而并不是提供一个门极电压。所以电容Cgs的电压稳态时只会到达Vcc-0.7,因为如果高于Vcc-0.7的话,上面三极管的工作状态就会变化,BE之间压降不够的话就会截止;同理,当下面三极管工作时,存在一个CE导通之后,电压被迅速拉低,但是由于三极管导通需要保持BE之间必须有0.7V的压降,所以当Cgs的电压达到0.7V以下后就会截止,所以Cgs的电压范围是0.7V(略低于)~Vcc-0.7(略低于)之间。

所以,图腾柱提升驱动能力的关键不是在于多增加级数,例如在同一个电源下面采用多级图腾柱串联,这样做是不能够提高驱动能力的,能做的只是将功率分散开,平分了电流I,用以驱动更大的IGBT或者MOS管;要增加驱动能力,关键在于增加供电电源数量,多个电源供电之后电流增大,相当于提高了VDD的电压。


U1是输出锁存器,执行GPIO管脚写操作时,在写脉冲(WritePulse)的作用下,数据被锁存到Q和/Q。T1和T2构成CMOS反相器,T1导通或T2导通时都表现出较低的阻抗,但T1和T2不会同时导通或同时关闭,最后形成的是推挽输出。在推挽输出模式下,GPIO还具有回读功能,实现回读功能的是一个简单的三态门U2。执行回读功能时,读到的是管脚的输出锁存状态,而不是外部管脚Pin的状态。
图腾柱电路的工作过程如下:
MOS管/IGBT等驱动的原理就是给内部的电容充放电,等效为Cgs充放电。
当输入为高电平(Vcc)时,Q1导通(上管),Q2关断(下管);等效电容Cgs充电(稳态Cgs电压为Vcc-0.7),当Cgs电压高于开关器件阀值时,开关器件导通,一般IGBT阀值在2V左右。此时Cgs充电至(Vcc-0.7V)(去除Q1一个二极管压降)。此处为什么Cgs的稳态电压不会到达Vcc呢?原因在于Q1的导通状态需要BE之间必须有压降,如果Cgs的电压超过(Vcc-0.7V)那么Q1立刻截止。
放电过程:当输入为低电平时,Q1关断,Q2由于Cgs充电至(Vcc-0.7V),处于高电平,Q2被导通,Cgs放电,但是由于Q2要导通的前提是BE之间必须有0.7V的压降,所以Cgs>0.7V时Q2可以导通,当Cgs<0.7V时,Q2截止,放电停止。这一步的主要作用是给Cgs形成一个放电回路,快速释放Cgs的电荷,防止开关器件的导通电容Cgs无法放电而一直存在,处于高电平状态,开关器件的工作状态不明确。
输出高低电平时,两个三极管交替工作,从而减低了功耗,提高了每个管的承受能力。又由于不论走哪一路,管子导通电阻都很小,使RC常数很小,转变速度很快。因此,推挽式输出既提高电路的负载能力,又提高开关速度。
图腾柱电路在使用中要注意以下问题:
  • 图腾柱或达林顿输出结构的TTL电路不允许并联使用。只有三态或OC(OD)输出结构的电路才可以并联使用。

  • 当若干个三态逻辑门并联使用时只允许其中一个门处于使能状态(逻辑“0”或逻辑“1”),其他所有门应处于高阻态。

  • 当多个OC(OD)输出端并联使用时,只允许其中一个门处于低电平输出状态,其他所有门应处于高电平输出状态。

  • 推挽电路无论是输出“0”还是“1”都是晶体管“拉”出来的,而OD电路输出“1”是靠上拉电阻“拉”出来的,上拉电阻一般都是K级的,晶体管的“拉”能力要比电阻强得多(输出阻抗小),所以推挽电路的驱动能力比OD强。


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