为什么叫图腾柱?图腾柱驱动的作用与原理

01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。
02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< ∴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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