为什么PWM驱动采用图腾柱而不是互补推挽?
电子设计宝典 2025-05-13


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3NPN+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,输入信号由低电平跳变到高电平,上管导通。

图4:上管导通

❤如图5,输入信号由高电平跳变到低电平,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,电压信号高低电平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,平台电压也非常窄,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;图10所示。

图10

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。


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