三极管推挽输出电路分析

大家好，我是良许。

在嵌入式系统开发中，我们经常需要驱动各种负载，比如 LED、继电器、电机等。

这时候，单纯依靠 MCU 的 IO 口往往无法提供足够的驱动能力。

推挽输出电路作为一种经典的功率放大电路，在实际项目中应用非常广泛。

今天我们就来深入分析一下三极管推挽输出电路的工作原理和实际应用。

1. 推挽电路的基本概念

1.1 什么是推挽电路

推挽电路是一种由两个三极管组成的互补输出电路。

这两个三极管一个负责"推"，即向负载提供电流；另一个负责"挽"，即从负载吸收电流。

这种结构使得电路能够在正负两个方向上都提供强大的驱动能力。

与普通的单管放大电路相比，推挽电路最大的优势在于输出阻抗低、驱动能力强、效率高。

在我之前做汽车电子项目时，就经常使用推挽电路来驱动车载继电器和指示灯，效果非常好。

1.2 推挽电路的分类

推挽电路主要分为两种类型：

互补型推挽电路：使用 NPN 和 PNP 两种不同类型的三极管，这是最常见的推挽电路形式。

当输入高电平时，NPN 管导通，PNP 管截止；当输入低电平时，PNP 管导通，NPN 管截止。

同类型推挽电路：使用两个相同类型的三极管，通过变压器或其他方式实现互补工作。

这种电路在音频功放中比较常见。

2. 互补型推挽电路的工作原理

2.1 电路结构分析

互补型推挽电路的典型结构如下：输入信号同时送到 NPN 管和 PNP 管的基极，NPN 管的发射极和 PNP 管的发射极连接在一起作为输出端，NPN 管的集电极接正电源，PNP 管的集电极接地。

让我给大家画个简单的原理图来说明。

假设我们使用 STM32 的 GPIO 口来控制一个推挽电路驱动 LED：

scss 复制代码

// STM32 HAL库配置GPIO为推挽输出
void MX_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    // 使能GPIOA时钟
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    // 配置PA5为推挽输出
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  // 推挽输出模式
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

// 控制输出
void LED_Control(uint8_t state)
{
    if(state) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);   // 输出高电平
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); // 输出低电平
    }
}

2.2 工作过程详解

当输入信号为高电平时，NPN 管的基极电压升高，基极-发射极之间形成正向偏置，NPN 管导通。

此时，电流从正电源经过 NPN 管的集电极-发射极流向负载，负载两端获得接近电源电压的高电平。

同时，PNP 管的基极相对于发射极为正电压，基极-发射极之间反向偏置，PNP 管截止。

当输入信号为低电平时，情况正好相反。

NPN 管的基极电压降低，基极-发射极之间电压不足以使其导通，NPN 管截止。

而 PNP 管的基极相对于发射极变为负电压，基极-发射极之间正向偏置，PNP 管导通。

此时，电流从负载经过 PNP 管的发射极-集电极流向地，负载两端获得接近地电位的低电平。

这种工作方式的巧妙之处在于，无论输出高电平还是低电平，都有一个三极管处于导通状态，提供低阻抗的电流通路。

这就是推挽电路驱动能力强的根本原因。

2.3 关键参数计算

在设计推挽电路时，我们需要计算几个关键参数。

首先是基极限流电阻的选择。

假设我们使用的三极管放大倍数 β =100，负载电流 IL =100mA，那么基极电流需要：

IB =IB/β=100 mA/100=1mA

如果输入电压为 5V，三极管基极-发射极压降 VBE = 0.7V，则基极限流电阻为：

RB = (VIN - VBE)/IB= (5V - 0.7V)/1mA= 4.3kΩ

实际应用中，我们通常选择标准阻值 4.7k Ω 或 3.9kΩ

3. 实际应用电路设计

3.1 LED 驱动电路

在嵌入式项目中，我们经常需要驱动大功率 LED。

下面是一个使用推挽电路驱动 LED 的完整示例：

ini 复制代码

// 硬件连接：
// STM32 PA5 -> R1(4.7k) -> Q1(NPN)基极
// STM32 PA5 -> R2(4.7k) -> Q2(PNP)基极
// Q1集电极 -> VCC(12V)
// Q2集电极 -> GND
// Q1发射极 = Q2发射极 -> LED正极
// LED负极 -> R3(限流电阻) -> GND

#define LED_PIN GPIO_PIN_5
#define LED_PORT GPIOA

// 初始化LED驱动
void LED_Driver_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    GPIO_InitStruct.Pin = LED_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM;
    HAL_GPIO_Init(LED_PORT, &GPIO_InitStruct);
    
    // 初始状态设为低电平
    HAL_GPIO_WritePin(LED_PORT, LED_PIN, GPIO_PIN_RESET);
}

// PWM调光控制
void LED_PWM_Control(uint8_t brightness)
{
    // brightness: 0-100，表示亮度百分比
    uint16_t period = 1000;  // PWM周期，单位us
    uint16_t pulse_width = (period * brightness) / 100;
    
    for(uint16_t i = 0; i < period; i++) {
        if(i < pulse_width) {
            HAL_GPIO_WritePin(LED_PORT, LED_PIN, GPIO_PIN_SET);
        } else {
            HAL_GPIO_WritePin(LED_PORT, LED_PIN, GPIO_PIN_RESET);
        }
        // 延时1us（实际项目中应使用硬件PWM）
        delay_us(1);
    }
}

// 使用硬件PWM的更优方案
void LED_Hardware_PWM_Init(void)
{
    TIM_HandleTypeDef htim2;
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
    
    // 配置定时器2
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 72-1;  // 假设系统时钟72MHz
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 1000-1;   // PWM频率1kHz
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);
    
    // 配置PWM通道
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 0;
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    
    // 启动PWM
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
}

void LED_Set_Brightness(uint8_t brightness)
{
    // 设置占空比
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, brightness * 10);
}

3.2 继电器驱动电路

在工业控制和汽车电子中，继电器是常用的开关器件。

推挽电路可以提供足够的驱动电流来可靠地控制继电器。

下面是一个继电器驱动的实现：

ini 复制代码

// 继电器驱动电路
// 硬件连接：
// STM32 PB0 -> 推挽驱动电路 -> 继电器线圈
// 继电器线圈并联续流二极管

#define RELAY_PIN GPIO_PIN_0
#define RELAY_PORT GPIOB

typedef struct {
    GPIO_TypeDef* port;
    uint16_t pin;
    uint8_t state;
    uint32_t last_toggle_time;
} Relay_TypeDef;

Relay_TypeDef relay1 = {
    .port = RELAY_PORT,
    .pin = RELAY_PIN,
    .state = 0,
    .last_toggle_time = 0
};

// 初始化继电器
void Relay_Init(Relay_TypeDef* relay)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    // 使能时钟
    if(relay->port == GPIOB) {
        __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    }
    
    GPIO_InitStruct.Pin = relay->pin;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(relay->port, &GPIO_InitStruct);
    
    // 初始状态关闭
    HAL_GPIO_WritePin(relay->port, relay->pin, GPIO_PIN_RESET);
    relay->state = 0;
}

// 继电器控制（带防抖动）
void Relay_Control(Relay_TypeDef* relay, uint8_t state)
{
    uint32_t current_time = HAL_GetTick();
    
    // 防止频繁切换，至少间隔100ms
    if(current_time - relay->last_toggle_time < 100) {
        return;
    }
    
    if(state && !relay->state) {
        // 打开继电器
        HAL_GPIO_WritePin(relay->port, relay->pin, GPIO_PIN_SET);
        relay->state = 1;
        relay->last_toggle_time = current_time;
    } else if(!state && relay->state) {
        // 关闭继电器
        HAL_GPIO_WritePin(relay->port, relay->pin, GPIO_PIN_RESET);
        relay->state = 0;
        relay->last_toggle_time = current_time;
    }
}

// 继电器状态读取
uint8_t Relay_Get_State(Relay_TypeDef* relay)
{
    return relay->state;
}

// 继电器翻转
void Relay_Toggle(Relay_TypeDef* relay)
{
    Relay_Control(relay, !relay->state);
}

3.3 电机驱动电路

推挽电路也常用于小功率直流电机的驱动。

通过 PWM 控制可以实现电机调速：

ini 复制代码

// 电机驱动
#define MOTOR_PIN GPIO_PIN_6
#define MOTOR_PORT GPIOA
#define MOTOR_TIMER TIM3
#define MOTOR_CHANNEL TIM_CHANNEL_1

typedef struct {
    TIM_HandleTypeDef* htim;
    uint32_t channel;
    uint8_t speed;      // 0-100
    uint8_t direction;  // 0:正转, 1:反转
} Motor_TypeDef;

Motor_TypeDef motor1;

// 电机初始化
void Motor_Init(Motor_TypeDef* motor, TIM_HandleTypeDef* htim, uint32_t channel)
{
    motor->htim = htim;
    motor->channel = channel;
    motor->speed = 0;
    motor->direction = 0;
    
    // 启动PWM
    HAL_TIM_PWM_Start(motor->htim, motor->channel);
}

// 设置电机速度
void Motor_Set_Speed(Motor_TypeDef* motor, uint8_t speed)
{
    if(speed > 100) speed = 100;
    
    motor->speed = speed;
    
    // 计算PWM占空比
    uint32_t pulse = (motor->htim->Init.Period * speed) / 100;
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(motor->htim, motor->channel, pulse);
}

// 设置电机方向
void Motor_Set_Direction(Motor_TypeDef* motor, uint8_t direction)
{
    motor->direction = direction;
    // 这里需要配合H桥电路来实现方向控制
}

// 电机启动
void Motor_Start(Motor_TypeDef* motor, uint8_t speed, uint8_t direction)
{
    Motor_Set_Direction(motor, direction);
    Motor_Set_Speed(motor, speed);
}

// 电机停止
void Motor_Stop(Motor_TypeDef* motor)
{
    Motor_Set_Speed(motor, 0);
}

// 电机加速
void Motor_Accelerate(Motor_TypeDef* motor, uint8_t target_speed, uint16_t time_ms)
{
    uint8_t current_speed = motor->speed;
    uint16_t steps = time_ms / 10;  // 每10ms调整一次
    int16_t speed_increment = (target_speed - current_speed) / steps;
    
    for(uint16_t i = 0; i < steps; i++) {
        current_speed += speed_increment;
        Motor_Set_Speed(motor, current_speed);
        HAL_Delay(10);
    }
    
    Motor_Set_Speed(motor, target_speed);
}

4. 推挽电路的优化设计

4.1 交越失真的消除

在互补推挽电路中，存在一个常见问题叫做交越失真。

当输入信号在零点附近时，两个三极管都处于临界导通状态，输出会出现非线性失真。

解决方法是在两个三极管的基极之间加入偏置电路，使它们始终处于微导通状态。

我们可以使用两个二极管串联来提供偏置电压：

scss 复制代码

// 在实际电路中，我们需要在基极电路中加入偏置
// 这里通过软件方式模拟偏置效果

#define BIAS_VOLTAGE 0.6  // 偏置电压，单位V

// 带偏置的输出控制
void Biased_Output_Control(uint8_t level)
{
    // 在实际硬件电路中实现偏置
    // 这里仅作示意
    if(level > 128) {
        // 输出高电平，考虑偏置
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
    } else {
        // 输出低电平，考虑偏置
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
    }
}

4.2 过流保护设计

在驱动大功率负载时，过流保护是必不可少的。

我们可以在电路中串联一个小阻值的采样电阻，通过 ADC 采集电压来监测电流：

scss 复制代码

// 过流保护
#define CURRENT_SENSE_PIN GPIO_PIN_0
#define CURRENT_SENSE_PORT GPIOA
#define MAX_CURRENT_MA 500  // 最大电流500mA
#define SENSE_RESISTOR 0.1  // 采样电阻0.1欧姆

typedef struct {
    ADC_HandleTypeDef* hadc;
    uint32_t channel;
    uint16_t max_current;
    uint8_t protection_enabled;
} Current_Protection_TypeDef;

Current_Protection_TypeDef current_protection;

// 初始化过流保护
void Current_Protection_Init(Current_Protection_TypeDef* cp, ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t channel)
{
    cp->hadc = hadc;
    cp->channel = channel;
    cp->max_current = MAX_CURRENT_MA;
    cp->protection_enabled = 1;
}

// 读取电流值
uint16_t Read_Current(Current_Protection_TypeDef* cp)
{
    uint32_t adc_value;
    float voltage, current;
    
    // 启动ADC转换
    HAL_ADC_Start(cp->hadc);
    HAL_ADC_PollForConversion(cp->hadc, 100);
    adc_value = HAL_ADC_GetValue(cp->hadc);
    HAL_ADC_Stop(cp->hadc);
    
    // 计算电压和电流
    // 假设ADC参考电压3.3V，12位分辨率
    voltage = (adc_value * 3.3) / 4096.0;
    current = voltage / SENSE_RESISTOR;  // 单位：A
    
    return (uint16_t)(current * 1000);  // 转换为mA
}

// 过流检测
uint8_t Check_Overcurrent(Current_Protection_TypeDef* cp)
{
    if(!cp->protection_enabled) return 0;
    
    uint16_t current = Read_Current(cp);
    
    if(current > cp->max_current) {
        // 检测到过流
        return 1;
    }
    
    return 0;
}

// 带过流保护的负载控制
void Protected_Load_Control(uint8_t state)
{
    if(state) {
        // 打开负载
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
        
        // 延时一小段时间后检测电流
        HAL_Delay(10);
        
        if(Check_Overcurrent(&current_protection)) {
            // 检测到过流，立即关闭输出
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
            // 记录错误日志或触发报警
            Error_Handler();
        }
    } else {
        // 关闭负载
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
    }
}

4.3 热保护设计

大功率推挽电路工作时会产生热量，需要进行温度监测和保护：

scss 复制代码

// 温度保护
#define TEMP_SENSOR_PIN GPIO_PIN_1
#define MAX_TEMPERATURE 85  // 最大温度85°C

typedef struct {
    ADC_HandleTypeDef* hadc;
    uint32_t channel;
    int16_t max_temp;
    int16_t current_temp;
    uint8_t protection_enabled;
} Thermal_Protection_TypeDef;

Thermal_Protection_TypeDef thermal_protection;

// 读取温度
int16_t Read_Temperature(Thermal_Protection_TypeDef* tp)
{
    uint32_t adc_value;
    float voltage, temperature;
    
    HAL_ADC_Start(tp->hadc);
    HAL_ADC_PollForConversion(tp->hadc, 100);
    adc_value = HAL_ADC_GetValue(tp->hadc);
    HAL_ADC_Stop(tp->hadc);
    
    // 假设使用NTC热敏电阻，这里需要根据实际传感器特性计算
    voltage = (adc_value * 3.3) / 4096.0;
    
    // 简化的温度计算公式（实际应使用查表法或B值公式）
    temperature = (voltage - 0.5) * 100;
    
    tp->current_temp = (int16_t)temperature;
    return tp->current_temp;
}

// 温度保护检测
uint8_t Check_Overtemperature(Thermal_Protection_TypeDef* tp)
{
    if(!tp->protection_enabled) return 0;
    
    int16_t temp = Read_Temperature(tp);
    
    if(temp > tp->max_temp) {
        return 1;
    }
    
    return 0;
}

// 综合保护的负载控制
void Safe_Load_Control(uint8_t state)
{
    if(state) {
        // 先检查温度
        if(Check_Overtemperature(&thermal_protection)) {
            // 温度过高，拒绝开启
            return;
        }
        
        // 打开负载
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
        
        // 检查电流
        HAL_Delay(10);
        if(Check_Overcurrent(&current_protection)) {
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
            return;
        }
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
    }
}

5. 常见问题与解决方案

5.1 输出波形振荡

在实际应用中，推挽电路的输出有时会出现振荡现象。

这通常是由于负载电容和电路寄生电感形成了 LC 振荡回路。

解决方法是在输出端并联一个小电容（通常 0.1μF 到 1μF）进行滤波，或者串联一个小电阻进行阻尼。

5.2 上电瞬间的冲击电流

当推挽电路驱动容性负载时，上电瞬间会产生很大的冲击电流。

我们可以通过软启动的方式来解决：

ini 复制代码

// 软启动函数
void Soft_Start_Output(uint16_t ramp_time_ms)
{
    uint16_t steps = ramp_time_ms / 10;
    uint16_t pwm_period = 1000;  // PWM周期
    
    for(uint16_t i = 0; i <= steps; i++) {
        uint16_t duty = (pwm_period * i) / steps;
        
        // 设置PWM占空比
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, duty);
        HAL_Delay(10);
    }
    
    // 最终切换到直流输出
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
}

5.3 EMI 问题

推挽电路的快速开关会产生电磁干扰。

在 PCB 设计时，需要注意以下几点：驱动信号走线要短，远离敏感电路；在电源引脚附近放置去耦电容；使用地平面来降低回路面积；必要时可以串联小电阻来降低开关速度。

6. 总结

推挽输出电路是嵌入式系统中非常实用的驱动电路。

它具有驱动能力强、效率高、输出阻抗低等优点，广泛应用于 LED 驱动、继电器控制、电机驱动等场合。

在实际设计中，我们需要根据负载特性选择合适的三极管，计算好基极限流电阻，并考虑过流保护、热保护等安全措施。

通过本文的分析和代码示例，相信大家对推挽电路有了更深入的理解。

在实际项目中，建议先在面包板上搭建电路进行测试，确认参数无误后再进行 PCB 设计。

同时，要注意电路的散热设计，必要时加装散热片。

只有把理论和实践结合起来，才能设计出可靠稳定的推挽驱动电路。

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