缓冲器／驱动器对于可行电路的应用设计

作者：Bill Schweber

尽管缓冲器和驱动器似乎没有为电路增加功能，但这些看似简单的接口元件对于可行的电路设计和操作来说是必不可少的。

这个双重问题的答案很简单：第一，“取决于”，第二，“几乎可以肯定”。

让我们从定义开始：“缓冲区”在电子硬件和软件中有很多定义。可以是保留的软件区域；一组内部 IC 寄存器；或者它可以是插入两个子电路之间接口的电路功能。

我们将看看后一个角色。尽管这些缓冲器通常处理由理想化的 1 和 0 组成的数字信号，但它们实际上在电压、电流、时间和故障的真实模拟世界中发挥作用。因此，它们是处理现实世界“数字”信号的模拟电路。

缓冲区和驱动程序之间的区别主要是角度问题。缓冲器通常是一个插入元件，它可以防止信号源受到负载属性的影响，但会提供与它在自己的输入端看到的相同或几乎相同的电压和电流。相比之下，驱动器通常会提高电流源/灌电流电平，或将其输出传输到负载的电压，并且通常会针对电路问题提供额外的保护。但是，这两个功能经常重叠，它们的命名也经常重叠。

缓冲器/驱动器符号很简单，图 1，并没有开始暗示它们的微妙之处或内部复杂性。在许多 IC 中，该功能内置于源 IC 中，但也有许多分立的缓冲器和驱动器 IC 正在使用中，这取决于必须输送多少电流以及在什么电压水平下。（请注意，模拟信号的缓冲器通常使用与数字信号相同的符号。）

图 1：通常用于模拟或数字信号缓冲器/驱动器的原理图符号表明它提供的附加功能很少或没有；相反，它在其输入端接收信号，增强其某些电压/电流属性，并将其呈现为输出。

缓冲器或驱动器可以提供许多不同的功能，即使基本缓冲器或驱动器具有连接到源输出的单个输入，以及连接到（或驱动）负载输入的单个输出。在许多缓冲区或驱动程序角色中：

缓冲器可以将源电压转换为负载所需的电压；
它可以允许仅具有低或中等电流源/吸收能力的子电路来驱动需要更多电流才能运行的负载。
它可以为电源提供保护，以防负载出现故障，例如短路或意外连接到电源轨。
它可以控制和管理源信号与负载所看到的电压/电流之间的时序（转换速率控制）。
它可以使源与负载性质的任何变化隔离，因此源看到一个固定的、不变的负载阻抗。
它可以简单地反转输入信号以正确匹配两个子电路。
它可以提供组件之间的阻抗匹配，这是射频电路中实现最大功率传输和最小损耗的关键要求。

MOSFET/IGBT 驱动器从处理器或控制器获取低电平数字信号，并以 MOSFET 需要开启的高电压和电流提供这些信号，并采用精心管理的压摆率和时序，图 2。

图 2：此 MOSFET 驱动器采用低电平数字输出并将其转换为完全快速打开和关闭 MOSFET 所需的电压和电流。

可编程逻辑控制器 （PLC） 状态机处理器需要打开和关闭继电器，继电器需要 24 V 和 1 A 才能工作，并且在关闭时还会产生高压感应“踢”；驱动程序不仅在两个世界之间进行转换，而且还保护处理器输出。

具有 3V 输出的 IC 需要连接到具有 5V 输入的 IC（反之亦然），尽管电流水平很低；缓冲器充当电压转换器。

一个 IC 需要同时驱动多个负载，但这些负载之间没有交互；单输入、多输出缓冲器（多扇出）执行此操作，图 3。

图 3：扇出缓冲器采用单个输入并提供多个输出；每个输出上的负载或状态不会影响其他输出。

同样，这些只是众多可能示例中的一小部分。

有时，缓冲器或驱动器提供的不仅仅是基本的电气功能。在某些情况下，两个子电路必须彼此电气隔离，这意味着两者之间没有欧姆（电流）路径，但信号信息必须从一个到另一个。这种隔离可能需要系统保护、操作员安全，或者因为标准电机驱动器中的 MOSFET 需要在没有接地连接的情况下“浮动”。隔离缓冲器通过使用光耦合器（光隔离器）、变压器磁路、电容耦合甚至射频链路的插入路径来断开电流路径。

尽管缓冲器和驱动器提供很少或不提供附加功能或信号处理方面，但主要在其输出处复制其输入但具有不同的属性，但它们是在成功、可行的设计中具有关键作用的基本组件。决定选择哪个特定器件有时是一个简单的决定，但当存在必须解决的微妙权衡时，例如在驱动 SiC MOSFET 或 RF 前端时，它可能是一个复杂的决定。选择可以“成败”电路的可靠和成功性能。