基于NPN和PNP三极管的互补推挽电路设计
|
推挽电路的应用非常广泛，比如单片机的推挽模式输出，PWM控制器输出，桥式驱动电路等。推挽的英文单词：Push-Pull，顾名思义就是推-拉的意思。所以推挽电路又叫推拉式电路。 推挽电路有很多种，根据用法的不同有所差异，但其本质都是功率放大，增大输入信号的驱动能力，且具有两个特点： ①很强的灌电流，即向负载注入大电流； ②很强的拉电流，即从负载抽取大电流。 如图3由NPN PNP三极管组成的推挽电路，这就是我们常用的互补推挽电路。特点是输出阻抗很小，驱动能力很强。
图3：互补推挽电路 如图4，输入信号由低电(píng)跳变到高电(píng)，上管导通。
图4：上管导通 如图5，输入信号由高电(píng)跳变到低电(píng)，下管导通。
图5：下管导通 如图6，NPN PNP构成的互补推挽电路是共射极输出，在任意时刻，有且只有其中一个管子导通有输出。
图6：共射极输出 有朋友觉得三极管不都是集电极（C）作为输出吗？怎么画风变了。按常规思路应该是如图7所示的电路图；如果单独输入是0V或12V，那么该电路看似没有毛病，但是输入信号是变化的，电压信号高低电(píng)的跳变有过渡的过程，所以在某个中间电压时会出现两个管子同时导通的情况，这是要炸管的，切记！
图7：错误的推挽电路 如图8为推挽驱动MOS管的电机调速电路，MOS管的G极灌电流及拉电流都很大，于是MOS管的开通和关断时间都非常短，(píng)台电压也非常窄，可有效降低开关损耗。
图8：电机调速电路 关于三极管和MOS管的特性，前面的文章有详细讲解，有不明白的朋友可以翻一翻。 当然，如图9把三极管替换成MOS管也是完全可以的，驱动能力会更强劲。
图9：MOS管结构的互补推挽 以上互补推挽电路的输入信号幅值必须和推挽供电电压一致，比如推挽供电电压为12V，那么输入的PWM信号的幅值也必须是12V。如果输入低于12V，输出也也会低于12V，参考图6所示，那么在管子上形成的压降会导致管子发热严重。 那么有没有小电压驱动大电压的推挽结构呢，当然有，在很多驱动芯片里非常常见，我们管TA叫图腾柱；如图10所示。
图10 如图11的红框内，图腾柱由NPN NPN构成，上管前级有个非门。（实际上，芯片框图对有些功能只以模块化展示，涉及的细节属于绝密是不可能呈现出来的） 为什么芯片采用图腾柱而不是互补推挽呢？原因是芯片内部的工作电压为5V（VCC经过芯片内部的线性电源得到5V），由前面对互补推挽的分析得知该结构并不适用于小电压驱动大电压；于是图腾柱结构的推挽孕育而生。
图11：图腾柱 如图12为图腾柱仿真电路，信号源为5V/1k的方波，二极管D1的作用是防止Q3、Q4同时导通而导致炸管。
图12：图腾柱仿真电路 如图13为图腾柱仿真波形，输出与输入相位相反，黄色表示Ui输入波形，蓝色表示Uo输出波形，实现了小电压驱动大电压的推挽输出。
图13：图腾柱仿真波形 如图14为互补推挽仿真电路，信号源为12V/1k的方波。
图14：互补推挽仿真电路 如图15为互补推挽仿真波形，输出与输入相位一致，黄色表示Ui输入波形，蓝色表示Uo输出波形。
图15：互补推挽仿真波形 然而，我们常用的运放也是推挽输出，运放的一个特性就是输入阻抗很大，输出阻抗很小，输出如图16红框所示，输出阻抗不到200Ω。
图16：运放的推挽输出 如图17，运放输出端与反相输入端直接相连就构成了常用的跟随器，输出电压等于输入电压，驱动能力大大增强。
图17：跟随器 要点： ①图腾柱是NPN NPN结构，互补推挽是NPN PNP结构； ②图腾柱有非线性特征，只能用于PWM输出，而互补推挽有线性特征，除了用于PWM输出外，还可用于模拟信号输出； ③图腾柱多见于PWM芯片驱动，用于直接驱动功率MOS管；互补推挽多见于搭建的电路以及MCU（单片机）、运放等芯片； ④PWM控制时，图腾柱输入电压可小于驱动电压，而互补推挽必须是输入电压与驱动电压相等。 关于图腾柱和互补推挽，很多时候都被认定是同一个电路（且存在争议），其实不然，正确认识以及了解它们的区别后，相信读者对它们有个全新的认识。 审核编辑：汤梓红 |
