脉宽调制特性及频率和占空比的影响

2022年3月17日

Cadence PCB Solutions

关键的外卖

●了解脉宽调制(PWM)。

●更好地理解PWM作为一种控制方法。

●更好地理解PWM中占空比和频率的影响。

输入端脉宽调制信号的平均输出信号。

在电子学中，调制是对某物施加控制或改变影响的应用。我们也把它称为音调、强度或频率的变化，就像人类的声音一样。

然而，就应用而言，我们通常会遇到用于控制直流电机或led等设备的调制技术。在这种情况下，技术被称为脉宽调制。

脉宽调制技术

如前所述，调制是指对设备或系统施加控制的能力。因此，诸如此类的方法存在于电子领域的无数应用中。调制作为一种控制方法的更常见用途之一是PWM。

由于PWM的自适应特性，我们遇到了广泛的应用。PWM是一种减小应用电信号的平均输出功率的技术。此外，该过程是通过有效地将信号切割成不同的部分来实现的。在功能操作方面，PWM通过控制其提供给负载的平均电流和电压来实现这种控制。这种方法是通过快速转动负载和源之间的开关来完成的，打开和关闭。

然而，如果我们比较开关的接通和断开周期，接通时间与断开时间的增加增加了提供给负载的总功率。一般来说，这种控制方法有许多有益的应用。例如，与最大功率点跟踪(MPPT)配对的PWM是减少太阳能电池板输出以方便电池使用的主要方法之一。

脉宽调制频率

总的来说，PWM主要适用于运行惯性设备，如电机，它们不会很快受到这种不同开关的影响。这同样适用于带PWM的led因为它们的输入电压影响其功能的线性方式。然而，PWM开关频率需要足够高，不影响负载，但负载感知的结果波形也应该是平滑的。

通常，电源必须切换的频率将根据设备及其应用而变化很大。例如，在电炉中，开关必须在一分钟内进行几次，并且PC电源和音频放大器的开关必须达到数十或数百千赫。使用PWM的一个显著优点是开关器件的功率损耗非常低。事实上，在开关的关断阶段，实际上没有电流。此外，在开关的导通阶段，在将功率传递给其负载时，几乎没有电压下降。

由于功率损耗是电压和电流共同作用的结果，因此PWM的功率损耗几乎为零。此外，由于数字技术的性质(即1和0，或ON和OFF状态)，PWM非常适合数字控制。一般来说，数字技术的内在本质使其毫不费力地实现PWM的功能，因此，很容易设置必要的占空比。

脉宽调制特性

PWM信号是一种创建数字脉冲来控制模拟电路的方法。有两个主要组件定义PWM信号的行为:

工作周期：占空比是系统或信号处于活动状态的一个周期的分数。我们通常用比率或百分比来表示占空比。周期是指信号完成一个完整的通断周期所需的时间。
频率:某事物在一段特定时期内重复或发生的速度换句话说，振动产生波的速率，例如声音、无线电波或光波，通常以每秒计算。

关于占空比，当信号处于高位时，我们将其称为ON，占空比描述了信号处于ON状态的时间量。我们用百分比来测量或量化占空比。这个百分比表示数字信号在一段时间(间隔)内开启的具体时间，这个间隔是波形频率的倒数。

例如，一个数字信号一半的时间处于导通状态，一半的时间处于关断状态，那么它的占空比为50%，即理想的方波。如果一个数字信号有四分之三的时间处于开状态，四分之一的时间处于关状态，那么它的占空比就会达到75%。

PWM特性继续

我们讨论了适合PWM功能的大量应用，包括led和电机(伺服)。由于频率是PWM技术的主要组成部分，因此可以理解频率影响PWM在应用程序中施加控制的能力。因此，如果控制led，例如，要获得适当的调光效果，方波频率确实需要足够高。

例如，在1hz下占空比为20%时，人眼会注意到LED正在关闭和打开。然而，在100赫兹或更高的占空比为20%时，只会显示出略少的暗淡光输出。

我相信你知道，我们可以利用PWM来控制电机(伺服)。我们也可以用它来控制伺服电机的角度。在应用方面，当我们在装配或制造环境中将其连接到机械设备(如机械臂)时，这是有益的。这是理想的，因为伺服利用轴转动到一个特定的位置取决于其控制线。

脉宽调制频率

特定的频率或周期用于控制特定的伺服器。通常，伺服电机预计每20毫秒更新一次，脉冲在1毫秒到2毫秒之间。这相当于在50hz时占空比为5%至10%。现在，如果脉冲是1.5毫秒，伺服电机将在90度，在1毫秒，0度，在2毫秒，180度。综上所述，通过将伺服器更新为1ms到2ms之间的值，我们可以获得全范围的运动。

PWM目前也应用于特定的通信系统中，其占空比用于通过通信信道传递信息。总的来说，PWM是一种从高频脉冲产生低频输出信号的方法或技术。

通过在上下电压(直流轨)之间快速切换逆变器腿的输出电压，低频输出基本上成为切换期间的平均电压。

PWM作为一种控制技术，非常适合广泛的应用。与占空比一起，PWM频率是其作为控制方法功能的基础。