一種基于圖騰柱結(jié)構(gòu)的無損驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

賈 強(qiáng)，亓迎川，馬攀偉，柳 鑫

(空軍預(yù)警學(xué)，湖北 武漢 430019)

0 引 言

目前隨著集成電路的發(fā)展，各類型的驅(qū)動(dòng)電路及驅(qū)動(dòng)芯片五花八門，且運(yùn)用都比較成熟，但是大多數(shù)驅(qū)動(dòng)芯片成本較高，外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，在使用過程中影響因素較多[1]。根據(jù)耦合方式的不同可以將驅(qū)動(dòng)電路分為直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)[2]。直接驅(qū)動(dòng)電路包括推挽輸出驅(qū)動(dòng)、TTL(Transistor-Transistor-Logic)驅(qū)動(dòng)和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)驅(qū)動(dòng)等；隔離型驅(qū)動(dòng)包括磁耦合隔離驅(qū)動(dòng)和光耦隔離驅(qū)動(dòng)兩種形式[3]。其各有優(yōu)缺點(diǎn)，并且適用場合也有很大的不同。磁耦合隔離驅(qū)動(dòng)電路使用變壓器進(jìn)行隔離，不需要獨(dú)立電源來對隔離器件供電，但其只能耦合交流電壓，不能耦合直流電壓，主要適用于各種功率的開關(guān)電源，并且磁耦合驅(qū)動(dòng)電路對電路中的磁參數(shù)要求較高，設(shè)計(jì)較復(fù)雜[4]；光耦隔離驅(qū)動(dòng)其易集成化，對驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比、工作頻率無特殊要求，不需要過多的參數(shù)設(shè)計(jì)，使用方便，主要適用于高效開關(guān)電源和逆變電源[5,6]。

光耦隔離驅(qū)動(dòng)一般是基于圖騰柱結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)合具體的使用需求進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[7]為了增大電路的驅(qū)動(dòng)能力，在驅(qū)動(dòng)輸出端加了推挽電路，該電路雖然增加了電路的驅(qū)動(dòng)能力，但推挽電路增加了電路的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[8]在光耦隔離電路中加入了一個(gè)動(dòng)態(tài)電壓比較器來提升電路的上升/下降沿變換速度，但該電路可靠性較低，可能出現(xiàn)占空比丟失。

在綜合上述文獻(xiàn)中電路的優(yōu)缺點(diǎn)及圖騰柱結(jié)構(gòu)自身顯著優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于圖騰柱結(jié)構(gòu)的開關(guān)管無損驅(qū)動(dòng)電路，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明該電路驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，穩(wěn)定性較好，對波形的還原度較高，波形基本沒有損失和延時(shí)。

1 傳統(tǒng)圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

一般的圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)P端有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，光耦信號(hào)經(jīng)整形和功率放大AMPL后使A點(diǎn)為高電平，三極管VQ1導(dǎo)通，使開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)P端沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，A點(diǎn)為低電平，三極管VQ2導(dǎo)通，穩(wěn)壓管D1兩端的電壓U1作為反壓加至開關(guān)的S、G兩級之間，使開關(guān)管反偏，實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。該類型驅(qū)動(dòng)電路最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠提升電路的電流驅(qū)動(dòng)能力，迅速完成開關(guān)管門級電荷的充電和放電過程。基于這一優(yōu)點(diǎn)，本文提出了一種基于圖騰柱結(jié)構(gòu)的具有電壓保護(hù)功能的無損驅(qū)動(dòng)電路。

圖1 傳統(tǒng)的圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

2 新型驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)及工作原理

提出的基于圖騰柱結(jié)構(gòu)的開關(guān)管無損驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。該電路主要包括三部分，首先是光耦隔離部分，第二部分是電平轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)電路，第三部分是柵極過電壓保護(hù)電路。光耦隔離部分主要用來實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)和開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的隔離；電平轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)電路部分采用由三極管VQ2和VQ3構(gòu)成的圖騰柱結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，這樣能保證電路具備足夠的驅(qū)動(dòng)能力；柵極電壓保護(hù)保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管柵源間電壓不超過其耐壓值，電阻R7可防止開關(guān)管誤導(dǎo)通。

圖2 基于圖騰柱結(jié)構(gòu)的新型驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的工作原理如圖3所示，圖中“+”代表高電平，“-”代表低電平。當(dāng)輸入為高電平時(shí)，工作通路如圖3(a)所示，光耦輸出為低電平，VQ1關(guān)斷，A點(diǎn)為高電平，VQ2導(dǎo)通，使開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入為低電平時(shí)，工作通路如圖3(b)所示，光耦輸出為高電平，A點(diǎn)為低電平，VQ3導(dǎo)通，穩(wěn)壓管D1兩端的電壓U1作用于開關(guān)管的S、G級，使開關(guān)管反偏，實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。

圖3 新型驅(qū)動(dòng)電路工作通路

3 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際的電路設(shè)計(jì)需求以及考慮成本，選取光耦芯片為H11L1。該芯片由發(fā)光二極管與光敏集成檢測電路構(gòu)成，集成有施密特觸發(fā)器，具有響應(yīng)速度快，抗噪聲，數(shù)字邏輯兼容性等優(yōu)勢。其開關(guān)切換速度較快，小于4 μs，最高傳輸速率高達(dá)1 MHz，具有波形變換、脈沖波整形等功能，同時(shí)又具備光耦的特性，具有卓越的隔離能力。該芯片外圍電路比較簡單，如圖4所示，僅需3～16 V的直流電源供電，在6腳和4腳之間接一個(gè)電阻構(gòu)成次級電流回路，便可實(shí)現(xiàn)光耦隔離。需要注意該芯片內(nèi)部是隔離的，因此其初級和次級管腳的地是相互隔離的，需要單獨(dú)連接。

圖4 H11L1光耦外圍電路

選取的NPN三極管為ZTX651，PNP三極管為ZTX751，該系列的三極管耐壓值都較高，且其開通時(shí)間僅為40 ns，滿足設(shè)計(jì)需求。

根據(jù)開關(guān)管的導(dǎo)通特性及安全考慮，需要使驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平即開通電壓為+15 V左右，低電平即關(guān)斷電壓為-9 V左右，因此選取穩(wěn)壓二極管D1的穩(wěn)壓值為9.1 V，選取主電路上端的電壓為+24 V。為了能更好的實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)效果及讓每個(gè)開關(guān)管之間互不干擾，對每一路驅(qū)動(dòng)電路都需要隔離電源供電。驅(qū)動(dòng)電源可以通過電源模塊獲得，也可以通過穩(wěn)壓芯片獲得，但是電源芯片價(jià)格較昂貴且規(guī)格有限，本文采用穩(wěn)壓芯片來獲得隔離驅(qū)動(dòng)電源。

本文中設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路共需要+12 V、+24 V兩路電源。+12 V為光耦芯片供電，+24 V作為電平轉(zhuǎn)換及電路的上端正電壓，與穩(wěn)壓管配合來獲得驅(qū)動(dòng)電壓。隔離驅(qū)動(dòng)電源電路圖如圖5所示。

將由多抽頭變壓器產(chǎn)生的隔離電壓經(jīng)整流橋模塊KPBC1501整流后，經(jīng)濾波電容C1濾波，之后經(jīng)三端穩(wěn)壓芯片L7824穩(wěn)壓，便可產(chǎn)生+24 V的直流電壓。電容C1、C5的大小可根據(jù)負(fù)載的大小來確定，電容C2、C3、C4的作用是防止電路產(chǎn)生自激振蕩。之后跟前級電路類似，將+24 V電壓作為三端穩(wěn)壓芯片的輸入，便可通過三端穩(wěn)壓芯片L7812產(chǎn)生+12 V的直流電壓。

圖5 輔助電源電路

最后根據(jù)設(shè)計(jì)的電路及選取的元器件型號(hào)用AD14軟件繪制了PCB電路板，并搭建了具體的硬件電路，如圖6所示，該圖為四路驅(qū)動(dòng)電路集成的硬件電路實(shí)物圖。

圖6 四路集成的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文運(yùn)用函數(shù)發(fā)生器分別產(chǎn)生高頻和低頻方波信號(hào)，對電路的驅(qū)動(dòng)能力及驅(qū)動(dòng)損耗情況進(jìn)行了測試。

圖7所示為100 Hz時(shí)的控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，控制信號(hào)是由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的，驅(qū)動(dòng)信號(hào)是開關(guān)管G、S級之間的信號(hào)。從圖7(a)中可以看出，控制信號(hào)的高電平為9 V；從圖7(b)中可以看出，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平為+15 V，低電平為-9 V，滿足開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)要求。

圖8所示為20 kHz時(shí)對電路驅(qū)動(dòng)能力測試波形，從圖8(b)所示的波形可以看出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平為+15 V，低電平為-9 V，同樣滿足開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)要求，說明該電路同樣適用于高頻驅(qū)動(dòng)場合。圖8(c)為20 kHz時(shí)半個(gè)周期內(nèi)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從圖中可以看出信號(hào)上升下降速度較快，上升時(shí)間為1 μs，下降時(shí)間為0.8 μs，對信號(hào)的損耗可忽略不計(jì)。

圖7 100 Hz時(shí)驅(qū)動(dòng)能力測試

圖8 20 kHz時(shí)驅(qū)動(dòng)能力測試

5 結(jié) 論

本文在分析了傳統(tǒng)圖騰柱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于圖騰柱結(jié)構(gòu)的無損開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路，并對其硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，用給定信號(hào)對電路的驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行了測試，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，該電路具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)電路結(jié)構(gòu)簡單，外圍電路較少，使用和設(shè)計(jì)較方便；

(2)驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流均能滿足開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)要求，較可靠；

(3)對信號(hào)損失較小，控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)吻合度較高，基本可以實(shí)現(xiàn)零損耗驅(qū)動(dòng)。