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  • 图腾柱电路工作原理

    图腾柱就是上下各一个晶体管,上管为NPN,c极接正电源,下管为PNP,e极接负电源,注意,是负电源,是地。两个b极接到一起,接输入,上管的e和下管的c接到一起,接输出。用来匹配电压,或者提高IO口的驱动能力。有几种图腾柱电路的变种,一种是两管全用NPN,但是下管通过一个反相器接到输入,也起到同样作用;还有一种是下管的e接到地,两管之间靠一个稳压管代替负电源。

      图腾柱电路工作原理分析

    一文看懂图腾柱电路工作原理

      1)首先要确定的是你需要多少的驱动能力?要驱动的负载(一般可认为是功率管)有多少?以MOSFET为例,驱动其实就是对MOS的门级电容的充放电,这就要考虑你有几个MOS并联,门级电容有多大?MOS的Rg有多大,加上驱动回路寄生电感等,其实就是一个LRC串联回路。

      2)驱动能力用个简化的公式来算就是I=C*Du/Dt,MOS的门级电容先确定,再来考虑你准备要几V的门级电压,然后就是这个电压建立和消除的时间,也就牵涉到MOS的开通关断速度,这会直接影响到功率管的损耗及其它问题,如应力等。这几个想好了,所要的驱动电流也就出来了。

      3)得到这个所要的驱动电流,再考虑上驱动回路的一堆寄生参数等,也就可以推出你图腾柱电路需提供多少驱动电流(注意这是个脉冲电流)。

      4)这个时候再考虑的就是你PCB板layout的空间,位置,准备为这个电路花多少钱选器件,用MOS还是BJT,综合考虑,然后就想办法选器件吧,当然还要考虑IC的输出信号和你选的图腾柱器件(MOS或BJT)之间也是个回路,这会不会有问题?

      5)另外要考虑的是,这个图腾柱能不能彻底关掉,这就又要考虑N在上还是P在上,正开还是负开,比如选用PMOS做关断,关断时图腾柱输出会仍有一个等于Vgs电压的电压加在你的负载MOS上,如果这个电压高于你的负载MOS门槛的话,----这就意味着你没关掉,虽然你前面关掉了。更痛苦的是,前面和后面的MOS门槛电压tolerance都会非常大,再考虑到温度系数。

      6)还要重点考虑的是图腾柱的器件也是要损耗功率的,所以要考虑它的温度及功耗会不会有问题。

      总之,具体用时要考虑的问题还真不少,单挑一个出来都非常简单,但加到一块,还真要花点时间研究计算一下。因为是做产品,所有的规格参数,寄生参数,tolerance,温度,cost,PCB空间等等等等,前前后后的一堆问题都得面对,不象写paper或仿真,抓住一点,其它都可考虑为理想状态,这样当然很快可以推出理想的结果。

      图腾柱电路应用需注意的问题

      1、驱动MOS管或IGBT管,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,图腾柱的基本电路如图所示。

    一文看懂图腾柱电路工作原理

      2、在实际使用中,如果我们就按照图中所示的电路的话,往往会因为走线电感与管子的结电容引起谐振而带来问题。这时候我们可以增加电路图中的R1与D1加速放电,避免引起共振。

    一文看懂图腾柱电路工作原理

      3、如果我们的设备整个抗干扰能力较弱的话,我们会发现,图腾柱电路很容易受到干扰而产生有误动作。

    一文看懂图腾柱电路工作原理

      4、为了提升图腾柱的抗干扰能力,我们可以将电路改为下图所示。

    一文看懂图腾柱电路工作原理

      5、如果还存在问题,可以增加图中所示电容,就能完美解决图腾柱容易受到干扰等问题。

    一文看懂图腾柱电路工作原理

    关于图腾柱驱动的点点滴滴!

    2017-05-10  好日孑  来源  阅 1645  转 11
     
    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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