推輓電路的應用非常廣泛,比如微控制器的推輓模式輸出,PWM控制器輸出,橋式驅動電路等。推輓的英文單詞:Push-Pull,顧名思義就是推-拉的意思。
所以推輓電路又叫推拉式電路。
推輓電路的本質是功率放大,增大輸入訊號的驅動能力,且具有兩個特點:
很強的灌電流,即向負載注入大電流;
很強的拉電流,即從負載抽取大電流。
如圖3由NPN+PNP三極體組成的推輓電路,這就是我們常用的互補推輓電路。特點是輸出阻抗很小,驅動能力很強。
圖3:互補推輓電路
如圖4,輸入訊號由低電平跳變到高電平,上管導通。
圖4:上管導通
如圖5,輸入訊號由高電平跳變到低電平,下管導通
圖5:下管導通
如圖6,NPN+PNP構成的互補推輓電路是共射極輸出,在任意時刻,有且只有其中一個管子導通有輸出。
圖6:共射極輸出
有朋友覺得三極體不都是集電極(C)作為輸出嗎?怎麼畫風變了。按常規思路應該是如圖7所示的電路圖;
如果單獨輸入是0V或12V,那麼該電路看似沒有毛病,但是輸入訊號是變化的,電壓訊號高低電平的跳變有過渡的過程,所以在某個中間電壓時會出現兩個管子同時導通的情況,這是要炸管的,切記!
圖7:錯誤的推輓電路
如圖8為推輓驅動MOS管的電機調速電路,MOS管的G極灌電流及拉電流都很大,於是MOS管的開通和關斷時間都非常短,平臺電壓也非常窄,可有效降低開關損耗。
圖8:電機調速電路
如圖9把三極體替換成MOS管也是完全可以的,驅動能力會更強勁。(下管PMOS體二極體方向)
圖9:MOS管結構的互補推輓
以上互補推輓電路的輸入訊號幅值必須和推輓供電電壓一致,比如推輓供電電壓為12V,那麼輸入的PWM訊號的幅值也必須是12V。如果輸入低於12V,輸出也會低於12V,參考圖6所示,那麼在管子上形成的壓降會導致管子發熱嚴重。那麼有沒有小電壓驅動大電壓的推輓結構呢,當然有,在很多驅動晶片裡非常常見,我們管TA叫圖騰柱;如圖10所示。
圖10
如圖11的紅框內,圖騰柱由NPN+NPN構成,上管前級有個非門。(實際上,晶片框圖對有些功能只以模組化展示,涉及的細節屬於絕密是不可能呈現出來的) 為什麼晶片採用圖騰柱而不是互補推輓呢?原因是晶片內部的工作電壓為5V(VCC經過晶片內部的線性電源得到5V),由前面對互補推輓的分析得知該結構並不適用於小電壓驅動大電壓;於是圖騰柱結構的推輓孕育而生。
圖11:圖騰柱
如圖12為圖騰柱模擬電路,訊號源為5V/1k的方波,二極體D1的作用是防止Q3、Q4同時導通而導致炸管。
分析:加二極體提高了下管導通閾值電壓。加二極體前,輸入訊號為0.7就導通了,加二極體後壓降要1.4才導通,而上管一直是0.7。相當於增加一個延時。
圖12:圖騰柱模擬電路
如圖13為圖騰柱模擬波形,輸出與輸入相位相反,黃色表示Ui輸入波形,藍色表示Uo輸出波形,實現了小電壓驅動大電壓的推輓輸出。
圖13:圖騰柱模擬波形
如圖14為互補推輓模擬電路,訊號源為12V/1k的方波。(模擬軟體proteus)
圖14:互補推輓模擬電路
如圖15為互補推輓模擬波形,輸出與輸入相位一致,黃色表示Ui輸入波形,藍色表示Uo輸出波形。
圖15:互補推輓模擬波形
然而,我們常用的運放也是推輓輸出,運放的一個特性就是輸入阻抗很大,輸出阻抗很小,輸出如圖16紅框所示,輸出阻抗不到200Ω。
圖16:運放的推輓輸出
如圖17,運放輸出端與反相輸入端直接相連就構成了常用的跟隨器,輸出電壓等於輸入電壓,驅動能力大大增強。
圖17:跟隨器
要點:
圖騰柱是NPN+NPN接面構,互補推輓是NPN+PNP結構;
圖騰柱有非線性特徵,只能用於PWM輸出,而互補推輓有線性特徵,除了用於PWM輸出外,還可用於模擬訊號輸出;
圖騰柱多見於PWM晶片驅動,用於直接驅動功率MOS管;互補推輓多見於搭建的電路以及MCU(微控制器)、運放等晶片;
PWM控制時,圖騰柱輸入電壓可小於驅動電壓,而互補推輓必須是輸入電壓與驅動電壓相等。
關於圖騰柱和互補推輓,很多時候都被認定是同一個電路(且存在爭議),其實不然,正確認識以及瞭解它們的區別後,相信讀者對它們有個全新的認識。
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