驅(qū)動(dòng)電路定義

    驅(qū)動(dòng)電路(Drive Circuit)：如下圖所示,，驅(qū)動(dòng)電路位于控制電路與負(fù)載電路之間,，將控制電路的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為負(fù)載電路所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，提供足夠電流或功率驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路,；

控制電路：各類(lèi)單片機(jī),，處理器等；

驅(qū)動(dòng)電路：晶體管與MOS管構(gòu)成的放大電路,，開(kāi)關(guān)電路,；驅(qū)動(dòng)IC;

負(fù)載電路：電機(jī),、繼電器、LED燈,、音頻設(shè)備,；

一、驅(qū)動(dòng)電路作用

    在電源或者硬件設(shè)計(jì)中,，無(wú)論是三極管還是MOS管,，一般都需要驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路的主要作用有：

1.提高系統(tǒng)可靠性

2.提高變換效率(開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān),、導(dǎo)通損耗)

3.減小開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力(開(kāi)/關(guān)過(guò)程中)

4.降低EMI/EMC

提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力
    打個(gè)比方,，一個(gè)單片機(jī)的高電平信號(hào)為5V，而5V是沒(méi)辦法直接驅(qū)動(dòng)12V或者24V的繼電器正常工作的,。通常這時(shí)候就需要引入驅(qū)動(dòng)電路,，使5V也能夠控制末端繼電器的開(kāi)斷。
 

保證開(kāi)關(guān)管良好的開(kāi)關(guān)狀態(tài)
    在一個(gè)電路中,，開(kāi)關(guān)管不能太快或者太慢,，太快會(huì)對(duì)電磁造成很大的干擾，太慢開(kāi)關(guān)損耗太大,。
 

保證器件的可靠性,，避免過(guò)壓和過(guò)流
    由于開(kāi)關(guān)寄生參數(shù)的存在，在導(dǎo)通或者關(guān)斷是,，往往產(chǎn)生很大的電壓電流尖峰,，這會(huì)對(duì)電路的性能和器件的可靠性有影響。

二,、常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)方式

1、直接驅(qū)動(dòng)

直接驅(qū)動(dòng)電路是由單個(gè)電子元器件（如二極管,、三極管,、mos管、電阻,、電容等）連接起來(lái)組成的驅(qū)動(dòng)電路,，電路中不具備電氣隔離，多用于功能簡(jiǎn)單的小功率驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合,。在復(fù)雜的數(shù)字電源系統(tǒng)中,，直接驅(qū)動(dòng)電路由于集成度低、故障率高等原因,，已被逐漸淘汰,。

功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)

以控制信號(hào)類(lèi)別分類(lèi)，驅(qū)動(dòng)方式可以分為電流驅(qū)動(dòng)和電壓驅(qū)動(dòng),。

電流驅(qū)動(dòng)

電流驅(qū)動(dòng)實(shí)際上是通過(guò)控制三極管導(dǎo)通來(lái)控制信號(hào)的通斷,。

1. 控制方式： 電流型驅(qū)動(dòng)是通過(guò)控制電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備或器件的操作,。驅(qū)動(dòng)器提供恒定的電流，設(shè)備的性能取決于電流值,。
2. 穩(wěn)定性： 電流型驅(qū)動(dòng)在某些情況下可以提供更穩(wěn)定的操作,，因?yàn)殡娏鞑皇茈娮枳兓挠绊憽＿@對(duì)于一些需要精確控制的應(yīng)用很有用,。
3. 靈敏度： 電流型驅(qū)動(dòng)通常比電壓型驅(qū)動(dòng)更適用于一些對(duì)電流變化較為敏感的設(shè)備,，如光電二極管（Photodiode）和激光二極管（Laser Diode）。
4. 適用范圍： 電流型驅(qū)動(dòng)常用于需要對(duì)電流進(jìn)行精確控制的設(shè)備,，如光電子器件,、傳感器等。BJT常用于低功率數(shù)字電源

   在NPN晶體管電路中,，R1起限流作用,、R2起下拉作用。因?yàn)樵陔娐逢P(guān)斷之后,，三極管be端電壓緩慢下降,，可能會(huì)處于較長(zhǎng)時(shí)間的放大狀態(tài)，會(huì)損壞三極管,。因此需要下拉電阻R2,，使得關(guān)斷時(shí)積極電壓迅速拉低，提高三極管的關(guān)斷速度,。
1,、當(dāng)輸出為0V時(shí)，三極管截止,，繼電器線圈無(wú)電流流過(guò),，為OFF狀態(tài)；
2,、當(dāng)輸出為+Vcc時(shí),，三極管飽和，繼電器線圈流過(guò)一定的電流,，繼電器吸合,，為ON狀態(tài)；
3,、當(dāng)輸入電壓又+Vcc變?yōu)?時(shí),，，三極管由飽和變?yōu)榻刂埂?/p>

    由于繼電器線圈相當(dāng)于一個(gè)電感,，由于電感的特性是通直流,、阻交流，在斷開(kāi)瞬間，線圈兩端會(huì)產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì),，電壓值可達(dá)一百多伏,，這個(gè)電壓加上電源電壓作用在三極管的集電極上足以損壞三極管。所以需要并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管,，為自感電勢(shì)提供泄放通路,。（續(xù)流需要選擇肖特基二極管，有利于快速泄放電勢(shì)）
 

電壓驅(qū)動(dòng)

電壓驅(qū)動(dòng)實(shí)際上是通過(guò)控制MOS管導(dǎo)通來(lái)控制信號(hào)的通斷,。

1. 控制方式： 電壓型驅(qū)動(dòng)是通過(guò)控制電壓的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備或器件的操作,。驅(qū)動(dòng)器提供恒定的電壓，設(shè)備的性能取決于電壓值,。
2. 靈活性： 電壓型驅(qū)動(dòng)通常更靈活,，適用于各種設(shè)備，因?yàn)椴煌O(shè)備可能對(duì)相同電壓產(chǎn)生不同的響應(yīng),。
3. 易于集成： 電壓型驅(qū)動(dòng)適用于集成電路（IC）等多種設(shè)備中,，因?yàn)镮C中通常使用電壓信號(hào)進(jìn)行通信和控制。
4. 適用范圍： 電壓型驅(qū)動(dòng)常用于需要對(duì)電壓進(jìn)行精確控制的設(shè)備,，如邏輯門(mén),、存儲(chǔ)器等。常用于中小功率數(shù)字電源,。在高頻場(chǎng)合多采用變壓器或?qū)Ｓ眯酒M(jìn)行驅(qū)動(dòng),。

    圖1是N管常用的電路接法。N管S端接地,，D端接負(fù)載,。當(dāng)G端信號(hào)大于Vgnd+Vgs的時(shí)候，MOS管開(kāi)啟,，當(dāng)信號(hào)電壓小于Vgnd+Vgs時(shí)關(guān)閉,。R1電阻為下拉電阻。  

    圖2是P管常用的電路接法,。P管S端接Vcc,，D端接負(fù)載。則當(dāng)G端信號(hào)電壓小于Vcc-Vgs的時(shí)候,，MOS開(kāi)啟，當(dāng)信號(hào)電壓大于Vcc-Vgs時(shí)關(guān)閉,。

電流和電壓特點(diǎn)

電流驅(qū)動(dòng)型：

優(yōu)點(diǎn)：精度高,、響應(yīng)速度快、效率高,、抗干擾能力強(qiáng),、驅(qū)動(dòng)功率大、耐壓,、容量大

缺點(diǎn)：開(kāi)關(guān)速度慢,、成本高,、穩(wěn)定性差

電壓驅(qū)動(dòng)型：

優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)關(guān)速度快

缺點(diǎn)：不適合于高電壓的場(chǎng)合、抗干擾能力弱

從器件來(lái)說(shuō)：

  電壓驅(qū)動(dòng)的如：

場(chǎng)效應(yīng)管,，因?yàn)樗膬?nèi)阻很大,，加電壓控制時(shí)電流很小，近似為零,，所以可以理解成：電壓驅(qū)動(dòng),；

 電流驅(qū)動(dòng)的如：

普通的NPN、PNP型三極管,，因?yàn)樗膬?nèi)阻較小,，加電壓控制時(shí)電流相對(duì)較大一般小功率的都有100uA以上，大功率的可達(dá)20mA以上）,，所以可以理解成：電流驅(qū)動(dòng),； 

  從控制原理來(lái)說(shuō)：

         電壓驅(qū)動(dòng)的如：場(chǎng)效應(yīng)管，它是通過(guò)加到G,、S端的電壓（微觀的就是電場(chǎng)）來(lái)控制D、S內(nèi)部通道的寬窄（即通道可變）來(lái)控制D,、S兩端電流,；

         電流驅(qū)動(dòng)的如：普通的NPN,、PNP型三極管,，是通過(guò)加到B、E端的電流（微觀的就是電子的流動(dòng)）來(lái)控制C,、E內(nèi)部的電流流動(dòng)（即通道不變）,。 

     電壓驅(qū)動(dòng)型器件內(nèi)阻大,，加電壓后電流小，只需要較小的驅(qū)動(dòng)功率,，場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)是電壓控制器件,、MOS電路是電壓控制器件，又比如氣體型霓虹燈,，電壓低了連亮都不亮,。亮了以后電流很小，那么就把它確定為電壓型器件,。

    電流驅(qū)動(dòng)型器件內(nèi)阻較小,，加電壓后電流較大，需要較大的驅(qū)動(dòng)功率,，雙極型晶體管(BJT)是電流控制器件,、TTL電路是電流控制器件，又比方發(fā)光二極管,，其輸入電壓基本是一個(gè)確定值,，提高電流可以改變亮度，減小電流降低亮度,，它確定為電流型器件,。

       電壓驅(qū)動(dòng)（Voltage Drive）是通過(guò)控制電路的輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制,。在電路中，電壓是電流的驅(qū)動(dòng)力,，通過(guò)控制電壓來(lái)控制電路中的電流和功率,。電壓驅(qū)動(dòng)方式通常使用開(kāi)環(huán)控制，即電路輸出與輸入電壓成正比關(guān)系,。當(dāng)輸入電壓變化時(shí),，輸出電壓和輸出電流也會(huì)隨之變化，電路的穩(wěn)定性較差。

　　電流驅(qū)動(dòng)（Current Drive）是通過(guò)控制電路的輸出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制,。在電路中,，電流是電壓和電阻的函數(shù),，通過(guò)控制電流來(lái)控制電路的電壓和功率。電流驅(qū)動(dòng)方式通常使用閉環(huán)控制,，即電路輸出電流與輸入電流成正比關(guān)系。當(dāng)輸入電流變化時(shí),，輸出電流會(huì)自動(dòng)適應(yīng),，電路的穩(wěn)定性較好,。

　　電壓驅(qū)動(dòng)方式比電流驅(qū)動(dòng)方式適合用于復(fù)雜的電路控制。例如,，在數(shù)碼電路中,，由于需要對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，因此要求輸出電壓穩(wěn)定,，而電流驅(qū)動(dòng)方式則無(wú)法滿(mǎn)足這一需求。而在高功率功放,、磁控管等高阻負(fù)載的電路中，電流驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)勢(shì)更加明顯,。這些負(fù)載的阻值變化范圍大，且負(fù)載阻值與電流成正比,，要求輸出電流能夠自適應(yīng)變化,。

2、推挽驅(qū)動(dòng)

    當(dāng)電源IC驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí),，可用推挽驅(qū)動(dòng)。

    這種驅(qū)動(dòng)電路好處是提升電流提供能力,，迅速完成對(duì)于柵極輸入電容電荷的充電過(guò)程,。這種拓?fù)湓黾恿藢?dǎo)通所需要的時(shí)間,，但是減少了關(guān)斷時(shí)間，開(kāi)關(guān)管能快速開(kāi)通且避免上升沿的高頻振蕩,。

    如下圖所示，推挽驅(qū)動(dòng)電路包含一個(gè)PNP三極管及一個(gè)NPN三極管,，采用互補(bǔ)輸出。輸入高電平時(shí),，上管NPN開(kāi)啟，下管PNP關(guān)閉,，驅(qū)動(dòng)MOS管開(kāi)啟；輸入低電平時(shí),，上管NPN關(guān)閉，下管PNP開(kāi)啟,，驅(qū)動(dòng)MOS管關(guān)閉。

加速關(guān)斷驅(qū)動(dòng)

   MOS管一般都是慢開(kāi)快關(guān)。在關(guān)斷瞬間驅(qū)動(dòng)電路能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓快速泄放,，保證開(kāi)關(guān)管能快速關(guān)斷,。

    為使柵源極間電容電壓的快速泄放,，常在驅(qū)動(dòng)電阻上并聯(lián)一個(gè)電阻和一個(gè)二極管，如上圖所示,，其中D1常用的是快恢復(fù)二極管,。這使關(guān)斷時(shí)間減小,，同時(shí)減小關(guān)斷時(shí)的損耗。Rg2是防止關(guān)斷的時(shí)電流過(guò)大，把電源IC給燒掉,。

  如下圖,，用三極管來(lái)泄放柵源極間電容電壓是比較常見(jiàn)的,。如果Q1的發(fā)射極沒(méi)有電阻，當(dāng)PNP三極管導(dǎo)通時(shí),，柵源極間電容短接，達(dá)到最短時(shí)間內(nèi)把電荷放完,，最大限度減小關(guān)斷時(shí)的交叉損耗。

    還有一個(gè)好處,，就是柵源極間電容上的電荷泄放時(shí)電流不經(jīng)過(guò)電源IC，提高了可靠性,。

3,、隔離驅(qū)動(dòng)

    電路包含隔離器件，常用的有光耦驅(qū)動(dòng),、變壓器驅(qū)動(dòng)以及隔離電容驅(qū)動(dòng)等,。其中光耦驅(qū)動(dòng)電路具有簡(jiǎn)單、可靠,、開(kāi)關(guān)性能好等特點(diǎn)。而變壓器驅(qū)動(dòng)電路不僅可以起到驅(qū)動(dòng)作用,，還可用于電壓隔離和阻抗匹配,。

驅(qū)動(dòng)電路為什么要采取隔離措施

    安規(guī)問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)電路副邊與主電路有耦合關(guān)系，而驅(qū)動(dòng)原邊是與控制電路連在一起， 主電路是一次電路,，控制電路是ELV電路,，一次電路和ELV電路之間要做加強(qiáng)絕緣,，實(shí)現(xiàn)絕緣要求一般就采取變壓器光耦等隔離措施,。

注：

ELV（特低電壓）電路：在正常工作條件下，在電路的任意兩個(gè)導(dǎo)體之間或任一導(dǎo)體與地之間電壓的交流峰值不超過(guò)42.4V或直流值不超過(guò)60V的二次電路,。

一次電路：直接與交流電網(wǎng)電源連接的電路,。通常是由高壓線路,、變電站以及與之相連的發(fā)電機(jī)和負(fù)載組成,。特點(diǎn)是電壓較高，通常在110 kV至1000 kV范圍內(nèi),，能夠?qū)崿F(xiàn)大功率的傳輸和供應(yīng),。

驅(qū)動(dòng)電路采取隔離措施的條件

控制參考地與驅(qū)動(dòng)信號(hào)參考地（e極）不同—驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)隔離。

控制參考地與驅(qū)動(dòng)信號(hào)參考地（e極） 同—驅(qū)動(dòng)電路無(wú)需隔離,；

驅(qū)動(dòng)電路隔離技術(shù)

    驅(qū)動(dòng)電路隔離技術(shù)一般使用光電耦合器或隔離變壓器（光耦合；磁耦合）,。由于 MOSFET 的工作頻率及輸入阻抗高，容易被干擾,，故驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有良好的電氣隔離性能,，以實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路之間的隔離，使之具有較強(qiáng)的抗干擾能力,，避免功率級(jí)電路對(duì)控制信號(hào)的干擾,。

    光耦隔離驅(qū)動(dòng)可分為電磁隔離與光電隔離。采用脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)電路的電磁隔離,，是一種電路簡(jiǎn)單可靠,，又具有電氣隔離作用的電路，但其對(duì)脈沖的寬度有較大限制,，若脈沖過(guò)寬,，磁飽和效應(yīng)可能使一次繞組的電流突然增大，甚至使其燒毀,，而若脈沖過(guò)窄,，為驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O關(guān)斷所存儲(chǔ)的能量可能不夠。光電隔 離,，是利用光耦合器將控制信號(hào)回路和驅(qū)動(dòng)回路隔離開(kāi),。該驅(qū)動(dòng)電路輸出阻抗較小，解決了柵極驅(qū)動(dòng)源低阻抗的問(wèn)題,，但由于光耦合器響應(yīng)速度較慢,，因而其開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間較長(zhǎng)，限制了適應(yīng)頻率,。

典型光耦內(nèi)部電路圖

光耦指的是可隔離交流或直流信號(hào),。

1.由IF控制Ic；電流傳輸比CTR-Current Transfer Ratio

2.輸入輸出特性與普通三極管相似,電流傳輸比Ic/IF比三極管“β ”小;

3.可在線性區(qū)， 也可在開(kāi)關(guān)狀態(tài),。 驅(qū)動(dòng)電路中,， 一般工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

光耦基本電路

光耦的特點(diǎn)：

1. 參數(shù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單

2. 輸出端需要隔離驅(qū)動(dòng)電源

3. 驅(qū)動(dòng)功率有限

磁耦合-變壓器隔離

受高頻調(diào)制的單向脈沖變壓器隔離電路

磁耦合：用于傳送較低頻信號(hào)時(shí)—調(diào)制/解調(diào)

磁耦合的特點(diǎn):

1.既可傳遞信號(hào)又可傳遞功率

2.頻率越高,體積越小-適合高頻應(yīng)用

    為了滿(mǎn)足高端MOS管的驅(qū)動(dòng),，經(jīng)常會(huì)采用變壓器驅(qū)動(dòng),。其中R1目的是抑制PCB板上寄生的電感與C1形成LC振蕩，C1的目的是隔開(kāi)直流,，通過(guò)交流,，同時(shí)也能防止磁芯飽和。

    在第一個(gè)周期內(nèi)OUTA 開(kāi)啟,，給變壓器一次繞組施加正電壓,，上管感應(yīng)導(dǎo)通。在接下來(lái)的一個(gè)周期內(nèi),，OUTB 開(kāi)啟（開(kāi)啟時(shí)間與OUTA相同）,，在磁化電感上提供極性相反的電壓，下管導(dǎo)通,。電路會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)雙極性對(duì)稱(chēng)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓輸出,，符合半橋電路的控制要求。

專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)集成芯片

    目前專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片在數(shù)字電源中應(yīng)用廣泛,，許多驅(qū)動(dòng)芯片自帶保護(hù)和隔離功能,。根據(jù)其控制的功率器件數(shù)量，驅(qū)動(dòng)芯片可以分為單驅(qū)芯片與雙驅(qū)芯片,。其中雙驅(qū)芯片通常用于半橋,、全橋等電源拓?fù)洌驗(yàn)樾枰粚?duì)互補(bǔ)的控制信號(hào),。而單驅(qū)芯片則更適用于buck、boost,、反激等電源拓?fù)洹?/p>

三,、驅(qū)動(dòng)能力

所謂驅(qū)動(dòng)能力，是指前級(jí)電路的輸出信號(hào)可以使得后級(jí)電路有效響應(yīng),，這個(gè)有效的包含兩層意思：

第一是前級(jí)輸出信號(hào)能被后級(jí)電路識(shí)別,，

第二是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)被后級(jí)電路識(shí)別。

驅(qū)動(dòng)能力指輸出端口的電流流入/流出大小,，但大部分情況指輸出端口的扇出能力,。

扇出：一個(gè)輸出端口連接多個(gè)輸入端口。

從直流特性來(lái)講
       數(shù)字器件的輸出端口有最大電流限制,，超過(guò)電流限制,，則有可能使輸出電平幅度變低/燒毀器件。比方說(shuō)，某單片機(jī)GPIO口高電平時(shí)的最大輸出電流是20mA,，那這個(gè)20mA規(guī)格就表征了該I/O口的電平驅(qū)動(dòng)能力,。而如果負(fù)載過(guò)大（比如小電阻），則負(fù)載電流有可能超過(guò)其最大輸出電流,，這時(shí)我們說(shuō)驅(qū)動(dòng)能力不足,。驅(qū)動(dòng)能力不足的直接后果是輸出電壓下降，對(duì)邏輯電路來(lái)說(shuō),，無(wú)法保持其高電平甚至?xí)霈F(xiàn)邏輯混亂,，這種現(xiàn)象一般是不允許出現(xiàn)的。因此,，從直流特性的角度,，驅(qū)動(dòng)能力就是指輸出端口的電流最大流入/流出能力。

從交流特性來(lái)講
       由于輸入端口存在輸入電容,，因此輸出端口電平反轉(zhuǎn)過(guò)程,，可以認(rèn)為是輸入端口電容充放電過(guò)程。輸出端口扇出越大,，則充放電速度/電平反轉(zhuǎn)越慢,，一定開(kāi)關(guān)頻率的情況下存在一個(gè)最大的扇出值，因此當(dāng)實(shí)際扇出值大于最大扇出值時(shí),，電平反轉(zhuǎn)速度過(guò)慢而無(wú)法滿(mǎn)足要求,。因此，從交流特性角度來(lái)講,，驅(qū)動(dòng)能力也可以指器件輸出端口的扇出能力,，不過(guò)扇出能力還是和上端口的電流的流入流出能力有關(guān)。

         電路的的驅(qū)動(dòng)能力是上一級(jí)的1/R,即電阻的倒數(shù),，驅(qū)動(dòng)能力大,，說(shuō)明看過(guò)去的電阻小。電路的負(fù)載能力是下一級(jí)的load（即電容）總和,，負(fù)載能力大,，說(shuō)明能驅(qū)動(dòng)下級(jí)的器件就很多”。

究竟“驅(qū)動(dòng)能力”和“負(fù)載能力”的區(qū)別是什么?

    個(gè)人感覺(jué)是兩者是一樣的,，都是代表上級(jí)電路可以驅(qū)動(dòng)下級(jí)電路的能力的大小,。

上下拉電阻會(huì)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力嗎？

    答：不存在上下拉電阻增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力這回事,，因?yàn)槌薕C輸出這類(lèi)特殊結(jié)構(gòu)外,，上下拉電阻就是負(fù)載，只會(huì)減弱驅(qū)動(dòng)力,。

二極管邏輯 

    今天已經(jīng)很難看到二極管邏輯電路了,，其實(shí)用性也不算高,，不過(guò)因?yàn)殡娐泛?jiǎn)單，非常適合用來(lái)理解基本概念,。

    一個(gè)最簡(jiǎn)單的二極管與門(mén)如下圖,。與門(mén)實(shí)現(xiàn)邏輯與操作Y=A&B，即A或者B任意為L(zhǎng)的時(shí)候,，輸出Y為L(zhǎng),，只有當(dāng)A和B都為H時(shí)，Y才為H,。

    上圖,，基本二極管與門(mén)

    假設(shè)二極管無(wú)導(dǎo)通壓降，在這個(gè)電路中,，二極管充當(dāng)了單向開(kāi)關(guān)的角色,，當(dāng)A和B等于VDD時(shí)，兩根二極管反向截至,，Y被電阻上拉到VDD,，這是Y就是H；當(dāng)A或者B任意一端為GND時(shí),，二極管導(dǎo)通,，因?yàn)槎O管導(dǎo)通時(shí)電阻很小，遠(yuǎn)小于上拉電阻,，所以Y被拉到了GND,，即邏輯L。

    至于二極管或門(mén),，只要把二極管轉(zhuǎn)一下,，再把電阻從拉到VDD改成拉到GND就可以了，非常簡(jiǎn)單,。

    上圖,，基本二極管或門(mén)

 基本原理 

    你看，在這么原始的邏輯電路中就已經(jīng)出現(xiàn)了上下拉電阻,，這里面的原理也非常簡(jiǎn)單粗暴：利用開(kāi)關(guān)的閉合（電阻為0）和開(kāi)啟（電阻無(wú)窮大）的特性,，配合電阻，就可以輕松實(shí)現(xiàn)兩種電壓的輸出,。這種電路還有一個(gè)變形，就是用恒流源取代電阻,，一方面集成電路工藝,，恒流源比電阻更容易獲得，另一方面恒流源的驅(qū)動(dòng)能力也更好,。根據(jù)開(kāi)關(guān)和電阻（或恒流源）的相對(duì)位置,，有以下基本電路：即開(kāi)關(guān)接到GND（L）或開(kāi)關(guān)接到VDD（H）,。

    上圖，幾種開(kāi)關(guān)電路接法

    這幾種電路都是由開(kāi)關(guān)的閉合或開(kāi)啟決定了VOUT是VDD還是GND,。開(kāi)關(guān)的相對(duì)位置不同,，還決定了電路在某一狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)能力：開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻為0，可視為驅(qū)動(dòng)力無(wú)窮大,，可是電阻（或恒流源）的驅(qū)動(dòng)能力呢,，只有VDD/R（或者恒流I），這就導(dǎo)致了電路在輸出H或L的時(shí)候驅(qū)動(dòng)能力不對(duì)稱(chēng)（換一個(gè)說(shuō)法,，就是電路在輸出H或者L的時(shí)候,，輸出阻抗不一樣）。

    除了驅(qū)動(dòng)能力的問(wèn)題,，這種單開(kāi)關(guān)加電阻的模式還會(huì)帶來(lái)靜態(tài)功耗的問(wèn)題,，因?yàn)橹灰_(kāi)關(guān)閉合，不管外部有沒(méi)有負(fù)載,，都會(huì)消耗電流,。

    既然開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)力比電阻強(qiáng)，那么能不能把電阻也換成開(kāi)關(guān),？恭喜你,，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代CMOS邏輯電路的基本單元：倆互補(bǔ)的開(kāi)關(guān),。這樣不管輸出H還是輸出L，驅(qū)動(dòng)能力都是無(wú)窮大,！好的,，這時(shí)候上下拉電阻就不見(jiàn)了。

    這樣兩個(gè)開(kāi)關(guān)的電路還多出來(lái)了一種狀態(tài)：當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)都開(kāi)啟時(shí),，VOUT即不是VDD也不是GND,，而是一個(gè)懸空的狀態(tài)（即高阻態(tài),，Hi-Z）,，這時(shí)候外部給什么信號(hào)它就是什么狀態(tài),。這樣又出現(xiàn)了一個(gè)新的邏輯門(mén)大類(lèi)：三態(tài)邏輯門(mén),。

    上圖，互補(bǔ)開(kāi)關(guān)電路

    很多經(jīng)驗(yàn)不是空穴來(lái)風(fēng)，只是在流傳的過(guò)程中丟失了重要的前提條件。有一些邏輯器件,，他們輸出高和輸出低時(shí)的驅(qū)動(dòng)能力差別很大,。

    TTL（70xx,、74Fxx、74Sxx,、74LSxx等）家族的器件就屬于這種類(lèi)型,，如下圖是7404（TTL反相器）的原理圖,，由于非對(duì)稱(chēng)的輸出級(jí)設(shè)計(jì)，輸出為高時(shí)驅(qū)動(dòng)能力只有0.4mA,，而輸出低時(shí)居然能輸出16mA的電流（手冊(cè)中的輸出電流不是晶體管或者電路本身的極限,，而是超過(guò)這個(gè)電流以后，輸出的電壓可能無(wú)法滿(mǎn)足邏輯族的要求）,。

    上圖,，7404的簡(jiǎn)化電路

    這個(gè)時(shí)候在輸出端口外加一個(gè)上拉電阻，就可等效以增強(qiáng)端口在輸出H時(shí)的驅(qū)動(dòng)能力,，但代價(jià)是端口輸出L時(shí),，驅(qū)動(dòng)能力相應(yīng)地減弱，不過(guò)這時(shí)候芯片輸出能力足夠強(qiáng),，用這點(diǎn)代價(jià)來(lái)?yè)Q取另一個(gè)狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)能力的增強(qiáng),，還是劃算。

    上圖,，帶上拉電阻的7404

    下表是仿真有無(wú)上拉電阻時(shí),，負(fù)載電流與輸出電壓的關(guān)系，可以看到上拉電阻確實(shí)增強(qiáng)了在一定負(fù)載下的輸出電壓,，不過(guò)當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)效果并不明顯,，而且邊際效應(yīng)也很顯著，當(dāng)上拉電阻減小到一定程度以后,，增強(qiáng)效果也不太顯著,，而且會(huì)大大增加靜態(tài)功耗。

    上表,，帶不同上拉電阻的7404輸出電壓與負(fù)載電流的關(guān)系

    既然非對(duì)稱(chēng)的輸出級(jí)有這樣的問(wèn)題,，那為啥不能把這個(gè)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)成上下對(duì)稱(chēng)的呢？

    一方面,，如果要設(shè)計(jì)成上下對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu),，上管需要用P管，而當(dāng)時(shí)的工藝限制,，P管各方面性能都不如N管,，速度、功耗和成本都不是很劃算,，所以能看到很多上年代的芯片,，內(nèi)部幾乎沒(méi)有P管（包括MOS工藝的器件也是）。

    另一方面,，TTL輸入結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),，輸入為H時(shí)所需電流很小，而輸入為L(zhǎng)所需的輸入電流很大,，這樣對(duì)輸出L時(shí)的驅(qū)動(dòng)能力要求就很高,，反而對(duì)輸出H時(shí)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)能力要求（TTL輸入懸空時(shí)等效為H）。

    但TTL的這種特點(diǎn),，又會(huì)帶來(lái)一個(gè)比較麻煩的問(wèn)題：下拉電阻值需要很大才能滿(mǎn)足要求,，而下拉電阻太大則會(huì)導(dǎo)致輸出高時(shí)負(fù)載太重以至于無(wú)法達(dá)到規(guī)定電壓，所以TTL要盡量避免使用下拉,。

    下圖是仿真結(jié)果,，因?yàn)檫@是一個(gè)反相器,，所以下拉時(shí)輸出高是所期望的，而下拉電阻超過(guò)1.8kΩ時(shí)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足TTL定義的最低高電平標(biāo)準(zhǔn)了,；而上拉時(shí),，就算上拉電阻達(dá)到20kΩ，也絲毫不影響輸出,。

    上表,，TTL上下拉電阻取值與輸出電壓的關(guān)系

 CMOS電路 

    相信現(xiàn)在已經(jīng)沒(méi)多少人會(huì)在設(shè)計(jì)時(shí)選用TTL家族的器件了，可能多數(shù)人都沒(méi)接觸過(guò)這類(lèi)器件,，最常用的還是CMOS家族（HC,、HCT、LVC,、CD4000等）,。

    CMOS家族的東西就比較簡(jiǎn)單粗暴，上下對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu),，上下管驅(qū)動(dòng)能力也基本一致,，這個(gè)時(shí)候輸出的上下拉電阻對(duì)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力幾乎沒(méi)有幫助不說(shuō)，還加重了負(fù)載,，屬于得不償失（其實(shí)多數(shù)情況下是無(wú)關(guān)痛癢）,。

    下圖是基本的CMOS反相器，只需要一對(duì)互補(bǔ)的MOS管即可實(shí)現(xiàn)（現(xiàn)實(shí)中的CMOS反相器一般是三對(duì)這種管子級(jí)聯(lián)出來(lái)的,，為了提高開(kāi)環(huán)增益）,。

    但是CMOS器件的輸入懸空時(shí)，不會(huì)被拉向任何一個(gè)方向,，處于一種浮空的狀態(tài),，這樣會(huì)造成輸出紊亂，不是我們所希望的結(jié)果,，這種情況下需要在輸入端接入上拉或者下拉電阻給電路提供一個(gè)確定的狀態(tài),。一般可拔插的對(duì)外接口（如JTAG）需要在I/O上加上上下拉電阻，有三態(tài)的總線視工作情況也可能需要上下拉,，不過(guò)大多數(shù)的CMOS電路不需要額外的上下拉電阻,。

    上圖，CMOS器件在使用是一般要加上下來(lái)避免輸入懸空

     因?yàn)镃MOS輸入是電壓控制型,，輸入阻抗很高,，所以上下拉電阻的值可以很大，理論上用MΩ級(jí)別的電阻都沒(méi)問(wèn)題,。

    不過(guò)理論歸理論,，工程師得認(rèn)清現(xiàn)實(shí)。現(xiàn)實(shí)的CMOS輸入結(jié)構(gòu)，為了保護(hù)MOS管的柵極,，會(huì)在柵極上加入ESD二極管,，二極管反向偏置的時(shí)候是有漏電流的，還會(huì)隨溫度的升高還會(huì)指數(shù)增長(zhǎng),！所以CMOS電路的上下拉電阻一般在100kΩ以下,，一些制程比較先進(jìn)的CPU，I/O口的漏電流或者上下拉電流較大,，上下拉電阻一般取在幾kΩ級(jí)別。所以設(shè)計(jì)上下拉電阻前一定要仔細(xì)閱讀芯片手冊(cè),，查查I/O的輸入電流,，看看取什么樣的電阻值才合理。

    上圖,，CMOS輸入有ESD二極管

 其他需要上下拉的情況 

     開(kāi)集（Open-Collector）和開(kāi)漏（Open-Drain）的輸出結(jié)構(gòu)往往也需要加上拉電阻:理清推挽,、開(kāi)漏、OC,、OD的特點(diǎn)與應(yīng)用,。OC和OD輸出結(jié)構(gòu)只有下管，所以只能輸出L和高阻（Hi-Z）兩種狀態(tài),，而高阻態(tài)是難以被電路識(shí)別的,，所以需要合適的上拉電阻把高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邞B(tài)。

    上圖,，OC（左）和OD（右）輸出結(jié)構(gòu)

    雖然OC和OD輸出結(jié)構(gòu)看起來(lái)很復(fù)古,，使用時(shí)也需要外接電阻有點(diǎn)麻煩，但這種結(jié)構(gòu)最大的好處就是可以做線與,，也就是多個(gè)OC或者OD可以接到一起,，只要其中一個(gè)輸出L，總線就是L,，這在多外設(shè)中斷和電源時(shí)序控制方面很常用,。

    上圖，OC/OD的線與接法

    I2C也是OC/OD結(jié)構(gòu),，這樣很輕松就能在一條數(shù)據(jù)線上雙向傳輸數(shù)據(jù)而不需要額外的方向控制信號(hào),，而CAN總線則巧妙地利用線與特性來(lái)實(shí)現(xiàn)總線仲裁。

    在處理OC或者OD電路的時(shí)候,，一定要注意評(píng)估總線負(fù)載電容,、上拉電阻與所需速度的關(guān)系，負(fù)載電容越大，速度越快,，所需的上拉電阻要越小:通俗理解STM32中的上/下拉電阻,。比如I2C總線，如果只掛載了一片從設(shè)備,，使用4.75kΩ的上拉電阻可能就滿(mǎn)足400kHz的總線要求了,，但如果掛了10片從設(shè)備呢，1kΩ的上拉電阻也不一定能搞定100kHz的總線速度,，這種時(shí)候可能得考慮總線負(fù)載隔離或者降低總線速度了,。

    下圖是在200pF負(fù)載電容情況下，上拉電阻為500Ω,、1kΩ,、2kΩ、4.75kΩ和10kΩ下的波形,，可以看到上拉電阻越大,，對(duì)電容充電速度越慢，所以上升沿也越慢,，當(dāng)上拉電阻不合適時(shí)上升沿已經(jīng)嚴(yán)重變形,，無(wú)法保證正常工作。

    上圖,，OC電路不同上拉電阻對(duì)波形的影響

    邏輯反相器可以當(dāng)成放大器來(lái)用,！不是開(kāi)玩笑，我還真見(jiàn)過(guò)產(chǎn)品上用這種騷操作的,，只需要把反相器接成反向放大器就可以了,，不過(guò)邏輯器件當(dāng)線性器件用，性能嘛...

    上圖,，邏輯反相器（非門(mén)）當(dāng)成線性放大器用

單片機(jī)I/O口驅(qū)動(dòng),，為什么一般都選用三極管而不是MOS管？

這里其實(shí)有兩個(gè)問(wèn)題：

1.單片機(jī)為什么不直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載,？

2.單片機(jī)為什么一般選用三極管而不是MOS管,？

圖1

答：

1.單片機(jī)的IO口，有一定的帶負(fù)載能力,。但電流很小,，驅(qū)動(dòng)能力有限，一般在10-20mA以?xún)?nèi),。所以一般不采用單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載這種方式,。

2.至于單片機(jī)為什么一般選用三極管而不是MOS管？需要了解三極管和MOS管的區(qū)別,，如下：

①三極管是電流控制型,，三極管基極驅(qū)動(dòng)電壓只要高于Ube（一般是0.7V）就能導(dǎo)通,。

②MOS管是電壓控制型，驅(qū)動(dòng)電壓必須高于閾值電壓Vgs（TH）才能正常導(dǎo)通,，不同MOS管的閾值電壓是不一樣的,，一般為3-5V左右，飽和驅(qū)動(dòng)電壓可在6-8V,。

我們?cè)賮?lái)看實(shí)際應(yīng)用：

    處理器一般講究低功耗,，供電電壓也越來(lái)越低，一般單片機(jī)供電為3.3V,，所以它的I/O最高電壓也就是3.3V,。

①直接驅(qū)動(dòng)三極管

    3.3V電壓肯定是大于Ube的，所以直接在基極串聯(lián)一個(gè)合適的電阻,，讓三極管工作在飽和區(qū)就可以了,。Ib=（VO-0.7V）/R2。

圖2  驅(qū)動(dòng)三極管示意圖

②驅(qū)動(dòng)MOS管

    通過(guò)前面也了解到,，MOS管的飽和電壓>3.3V，如果用3.3V來(lái)驅(qū)動(dòng)的話,，很可能MOS管根本就打不開(kāi),，或者處于半導(dǎo)通狀態(tài)。

    在半導(dǎo)通狀態(tài)下,，管子的內(nèi)阻很大,，驅(qū)動(dòng)小電流負(fù)載可以這么用。但是大電流負(fù)載就不行了,，內(nèi)阻大,，管子的功耗大，MOS管很容易就燒壞了,。

    所以,，一般選擇I/O口直接控制三極管，然后再控制MOS管,。

圖3  I/O口驅(qū)動(dòng)三極管后再驅(qū)動(dòng)MOS管

    當(dāng)I/O為高電平時(shí),，三極管導(dǎo)通，MOS管柵極被拉低,，負(fù)載RL不工作,。

    當(dāng)I/O為低電平時(shí)，三極管不導(dǎo)通,，MOS管通過(guò)電阻R3,，R4分壓，為柵極提供合適的閾值電壓,，MOS管導(dǎo)通,，負(fù)載RL正常工作。

    為什么要這樣操作呢？一定要用三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS管嗎,？

    那是因?yàn)槿龢O管帶負(fù)載的能力沒(méi)有MOS管強(qiáng),，當(dāng)負(fù)載電流有要求時(shí)，必須要用MOS管來(lái)驅(qū)動(dòng),。

    那可以用I/O口直接驅(qū)動(dòng)MOS管嗎,？答案是可以的，但這種型號(hào)不好找,，這里給大家推薦一個(gè)NMOS型號(hào)：DMN6140L-13（因?yàn)橛玫纳?，目前就知道這個(gè)型號(hào)）。

圖4  DMN6140L-13閾值電壓

    這個(gè)管子的閾值電壓是1V,，3.3V的時(shí)候可以完全導(dǎo)通,，導(dǎo)通時(shí)的最大電流大約2.3A的樣子。

圖5  DMN6140L-13導(dǎo)通電流

    我們?cè)賮?lái)看看,，常用的NPN三極管LMBT2222ALT1G的帶載能力,，最大電流IC=600mA。

圖6  LMBT2222ALT1G導(dǎo)通電

    可見(jiàn)MOS管的驅(qū)動(dòng)能力是三極管4倍,，所以對(duì)負(fù)載電流有要求的都使用MOS管,。

    那他們的價(jià)格相差多少呢？在立創(chuàng)上搜了一下,，MOS管的三極管的價(jià)格幾乎是三極管的6倍

    所以,，在要求不高，成本低的應(yīng)用場(chǎng)合,，一般使用三極管作為開(kāi)關(guān)管,。

驅(qū)動(dòng)波形實(shí)例調(diào)試

首先，供電正常,，確保沒(méi)有虛焊或短路,。但當(dāng)我測(cè)試Vgs波形的時(shí)候，有點(diǎn)不敢相信自己的眼睛,，如下圖,。一般來(lái)說(shuō)，MOS管驅(qū)動(dòng)波形出現(xiàn)振蕩是很正常的現(xiàn)象,，但是振蕩的這么厲害,，波形根本沒(méi)法看，不能正常工作,。

圖二    樣板驅(qū)動(dòng)波形

用紅外測(cè)試儀監(jiān)測(cè)了MOS管溫度,，溫升瞬間升到幾十度，還好我反應(yīng)快,，馬上就斷掉了開(kāi)關(guān),，不然辦公室又得開(kāi)始放鞭炮了,。

三、原因查找：

我猜想會(huì)不會(huì)是驅(qū)動(dòng)芯片本身有問(wèn)題,？

于是我用示波器直接測(cè)了驅(qū)動(dòng)芯片的輸出波形,，如下圖，波形正常,。

圖三    驅(qū)動(dòng)芯片輸出波形

那問(wèn)題會(huì)不會(huì)出在驅(qū)動(dòng)布板上,，仔細(xì)查看了驅(qū)動(dòng)部分的PCB，MOS管的回路盡量短,，也都進(jìn)行了包地處理,，跟之前布板差別不大，所以排除PCB布板的問(wèn)題,。

于是我又嘗試調(diào)整了驅(qū)動(dòng)電阻的阻值,，因?yàn)檫@個(gè)電阻的大小對(duì)管子的振蕩影響很大。多測(cè)調(diào)試無(wú)果,。

那唯一的不同之處在于驅(qū)動(dòng)部分單獨(dú)做成一個(gè)小板插在主板上,。我判斷大概率問(wèn)題出在這里，于是重新打板將驅(qū)動(dòng)直接畫(huà)在主板上,。事實(shí)證明我的判斷是正確的,，測(cè)得驅(qū)動(dòng)波形如下圖，波形很漂亮,，有木有？

圖四    PCB更改后樣板驅(qū)動(dòng)波形

四,、原因分析：

先簡(jiǎn)單介紹一下我們所使用的驅(qū)動(dòng)電路,。如下所示。該電路一直量產(chǎn)至少上萬(wàn)片,，所以這個(gè)電路肯定是沒(méi)問(wèn)題的,。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)PWM為高時(shí)，通過(guò)R3→D1→C2→R2→GND,，給MOS管充電,。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)PWM為低時(shí)，通過(guò)C2→R4→Q1→GND,，MOS管放電,。

管子做到快開(kāi)慢關(guān)。一般電阻R3小于R4,，阻值為幾歐姆,。

R1的作用是防止靜電擊穿，為靜電提供釋放回路,，一般為10K左右,。

圖五    驅(qū)動(dòng)電路圖

再回到我們的問(wèn)題上,，為什么將驅(qū)動(dòng)插在小板上，驅(qū)動(dòng)波形會(huì)變差,，會(huì)振蕩的那么厲害呢,？

實(shí)際上這個(gè)振蕩是由R3，L1和C2串聯(lián)振蕩引起的,。其中,，L1是驅(qū)動(dòng)芯片輸出到柵極之間的寄生電感，這個(gè)距離越遠(yuǎn),，L1越大,。驅(qū)動(dòng)做成小板通過(guò)插針的形式連接，其實(shí)就是增大了這個(gè)距離,，也就是增大了電感L1,，所以就振蕩的特別厲害。

電阻R3的作用主要起到阻尼振蕩的作用,，讓管子導(dǎo)通的不那么快,，吸收管子的振蕩尖峰。阻值越大,，振蕩越小,，但效率也會(huì)降低。

圖六    驅(qū)動(dòng)電路中的寄生電感

最后,，驅(qū)動(dòng)電路部分一定要注意的幾個(gè)細(xì)節(jié)：

1.布局時(shí),，驅(qū)動(dòng)部分一定要靠近MOS管且MOS管的驅(qū)動(dòng)回路面積要盡量短，減小寄生電感的影響,。

2.MOS管選型時(shí),，輸入電容C2和密勒電容C1盡量選擇容值比較小的。

3.調(diào)試時(shí),，可通過(guò)改變R3的阻值來(lái)改變驅(qū)動(dòng)波形的振蕩,。