图腾柱驱动电路设计 图腾柱驱动电路的作用与原理

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<

∴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。

审核编辑：汤梓红