值得你了解! 单片机提高GPIO驱动能力的方法

单片机的GPIO口驱动能力有限，不能直接驱动较大功率的负载，如果负载的功率较大必须要考虑采用驱动功率器件的方式，比如说三极管、MOS管以及其他的专用驱动芯片。 下面结合几个典型的例子来介绍以下如何提高单片机的驱动能力。

现代单片机的输出特性

现今常用的AT89C51单片机，其引脚输出能力已显著提升。据PDF手册显示，当单片机输出低电平时，单个引脚可向引脚灌入的最大电流为10mA。若为8位接口(如P1、P2和P3)，则灌入的总电流最大可达15mA，而P0口允许的最大灌电流为26mA。所有四个接口的灌电流之和，最大可至71mA。但需注意，当引脚输出高电平时，其“拉电流”能力相对较弱，不足1mA。

1 使用三极管提高驱动能力单片机采用何种方式提高驱动能力，主要取决于被控负载。 比如说蜂鸣器、继电器这种类型的负载，一般会通过三极管来驱动，单片机控制三极管即可。 以通用型的继电器为例，假设5V继电器的线圈所需的工作电流为80mA，那肯定不能通过单片机直接驱动，而三极管就是一个很好的选择。

单片机与三极管的基极连接，只需要通过高低电平信号即可实现继电器的驱动，驱动电流由VCC提供，三极管提供回路。 由此实现了单片机驱动大功率负载的目的。2 使用专用IC提高驱动能力电机是功率比较大的负载，都是通过专用的驱动IC来驱动的，单片机控制专用IC。 以微型直流电机为例。 电机通过专用驱动芯片RZ7899来驱动，单片机和RZ7899连接，单片机的控制信号经专用IC后驱动电机，实现电机的转动、调速等功能。

3 驱动小功率，但是数量多的负载

这类比较典型的应用就是流水灯或者是点阵LED屏。 单片机的GPIO口数量和驱动能力都有限，需要通过扩展IC来实现，这类常用的IC有74HC595、74HC164、74HC138等。

单片机提高GPIO驱动能力主要有以下方法：

硬件扩展

‌三极管/MOS管驱动‌

使用三极管(如NPN/PNP型)或MOS管放大电流，适用于继电器、LED等负载。三极管基极接收单片机信号，通过集电极输出驱动电流;MOS管直接控制漏极电流。 ‌

‌专用驱动芯片‌

采用专用IC(如电机驱动芯片RZ7899、LED驱动芯片MAX7219等)，集成保护电路和信号放大功能，可驱动大电流负载(如直流电机、多位LED屏)。 ‌

‌达林顿管或复合管‌

两个三极管串联(如NPN+PNP组合)，通过增大β值提升电流放大能力，适用于驱动继电器、步进电机等中等功率负载。 ‌

软件优化

‌多路GPIO并联‌

多个GPIO口并联共同驱动同一负载(需支持并联输出)，总电流不超过单片机最大允许值(如51单片机单个GPIO最大20mA，总不超过100mA)。 ‌

‌推挽输出模式‌

部分单片机(如STM32)可通过寄存器配置为推挽输出，由两个三极管分别控制高低电平，增强拉电流和灌电流能力。 ‌

电路设计建议

‌低电平优先‌：现代单片机低电平驱动能力更强，优先采用低电平输出方式(如LED、继电器) ‌

‌上拉/下拉电阻‌：开漏或开集输出需外接电阻(1kΩ~10kΩ)增强驱动能力，稳定输入信号。 ‌

单片机的IO口可以输出三种状态：高电平、低电平、高阻。一般不同封装和颜色的驱动电压和电流都有些许差异，具体要参照使用LED的规格书。这里演示为2V/20mA就可额定工作条件的LED。

那么利用IO口的低电平状态可以设计如图方式1的驱动LED方法(这个也是不用三极管情况下常用的方式)，利用IO口的高电平状态可以设计如图方式2的驱动LED方式。

那么实际搭好电路和载入驱动程序后，方式1可以完美运行，但是方式2的灯却不能亮。为什么呢?这就要引入灌电流和拉电流的概念来解释了。

1、灌电流：图中第(1)个连接方式中，单片机输出低电平时，电流方向由外部进入单片机，称为灌电流，电流由外部电源提供。

2、拉电流：图中第(2)个连接方式中，单片机输出高电平时，电流方向由单片机输出到外部，称为拉电流，电流由单片机提供，可理解为“外部元件从单片机取电”。

如果你查看单片机的规格书，你会发现IO口允许外部灌入电流可以达到几十mA，但是对所有IO口合计的总灌入电流是有限制的，所以你需要同时驱动几个LED亮，可能是行不通的。

而再来看单片机的拉电流是uA级别的，根本无法驱动外部LED。那么为什么高电平状态，驱动能力这么弱呢?原因是IO口内部集成了较大的上拉电阻，而到GND是有一个开关管(阻抗非常低、可以忽略)控制的。

上面仅仅讲述了单片机IO口的情况，那么举一反三，很多IC的GPIO口都会有灌入电流和拉电流的限制，所以在使用的时候要注意这个电流的限制。

可以知道使用方式1驱动LED对LED数量是有限制的。另外如果LED发生损坏短路，也会有电流直接流入IO口，可能造成单片机损坏。就有人引入了三极管来解决这些问题，IO口只负责控制三极管通断即可。

应尽可能选三极管饱和后Vce压降小的。这里饱和后Vce=0.1V。LED 2V/20mA驱动，那么三极管Ic=20mA。限流电阻R1=(5-2-0.1)V/20mA=145Ω，145不是标称值，那么实际选择150Ω的电阻，实际Ic=(5-2-0.1)V/20mA=19mA。

然后确认三极管的放大倍数Hfe，假设是100，那么三极管B极电流是19mA/100=0.19mA。

也就是说如果IO口需要驱动这个LED，必须支持的最小输出电流至少为0.19mA。这个电流非常小，多个串口同时驱动多个LED，压力也没那么大。

但是假如你用的这个ICIO口最大输出电流只有0.1mA，还是无法满足怎么办，那么就需要NPN+PNP两个三极管组合来解决了。

参照上图，如果只用一个NPN管来驱动LED，那么Ic电流=25mA，那么KRC103S 基极电流Ib=Ic/Hfe=25mA/150=0.167mA，很明显驱动不了。

那么再加入一个PNP管KRA102S，PNP管基极电流Ib=Ic/Hfe=25mA/100=0.25mA，然后NPN管导通其Ic=0.25mA，那么IO口的电流就只有0.25mA/150=0.002mA。这样一来控制IC就能驱动LED了。

单片机的驱动能力指的是它可以输出的最大电流或电压，如果需要驱动电流或电压较大的负载，需要提高单片机的驱动能力。以下是一些提高单片机驱动能力的方法：

使用外部驱动器：外部驱动器可以放大单片机的输出信号，从而提高输出电流和电压。通常可以选择场效应管、晶体管、继电器等驱动器来实现这个目的。

使用放大器：放大器可以将单片机的输出信号放大，从而提高输出电流和电压。可以选择运算放大器、差分放大器等放大器来实现这个目的。

串联多个输出引脚：将多个单片机输出引脚串联在一起，可以将它们的输出信号叠加在一起，从而提高输出电流和电压。

使用增强型输出引脚：一些单片机的输出引脚具有增强型结构，可以提供更高的输出电流和电压。可以选择这些引脚来驱动负载。

使用PWM控制器：PWM控制器可以将单片机的输出信号转换成一个脉冲宽度调制的信号，通过调节脉冲的宽度和频率，可以实现对负载电流和电压的控制。

总的来说，提高单片机驱动能力的方法包括使用外部驱动器、放大器、串联多个输出引脚、使用增强型输出引脚和PWM控制器等。在实际应用中，可以根据具体情况选择合适的方法来提高单片机的驱动能力。