線(xiàn)路板设计脉冲宽度调制特性以及频率和占空比的影响

2020-11-07

在線(xiàn)路板设计中，调制是对某物(wù)的控制或改变影响的应用(yòng)。我们也将其称為(wèi)频率的音调，强度或音调的变化，就像人类的声音一样。

但是，在应用(yòng)方面，我们通常会遇到用(yòng)于控制直流電(diàn)动机或LED等设备的调制技术。在这种情况下，该技术称為(wèi)脉冲宽度调制（PWM）。

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(néng)力。因此，诸如此类的方法存在于電(diàn)子领域内的众多(duō)应用(yòng)中。调制作為(wèi)控制方法最常见的用(yòng)途之一是PWM。

由于其自适应特性，我们遇到了PWM的广泛使用(yòng)。PWM是一种减轻施加的電(diàn)信号的平均可(kě)传递功率量的技术。而且，通过有(yǒu)效地将信号切成不同的部分(fēn)来实现该过程。在功能(néng)操作方面，PWM通过控制其传递给负载的平均電(diàn)流和電(diàn)压来实现此控制。通过快速打开和关闭负载和電(diàn)源之间的开关来实现此方法。

但是，如果我们比较开关的接通和断开时间，则接通时间与断开时间的增加会增加提供给负载的总功率。通常，这种控制方法具有(yǒu)许多(duō)有(yǒu)益的应用(yòng)。例如，PWM与最大功率点跟踪（MPPT）配对是减少太阳能(néng)電(diàn)池板输出以促进其被電(diàn)池使用(yòng)的主要方法之一。

脉宽调制频率

总體(tǐ)而言，PWM主要适用(yòng)于运行惯性设备（例如電(diàn)动机），该惯性设备不受这种明显切换的影响那么快。对于具有(yǒu)PWM的LED，这同样适用(yòng)，因為(wèi)其線(xiàn)性方式会影响其输入電(diàn)压，从而影响其功能(néng)。但是，PWM开关频率必须足够高，以不影响负载，但是负载感知到的结果波形也应该是平滑的。

通常，電(diàn)源必须切换的频率会根据设备及其应用(yòng)的不同而有(yǒu)很(hěn)大差异。例如，切换必须在電(diàn)炉中每分(fēn)钟进行几次，并且对于PC電(diàn)源和音频放大器而言，切换频率必须达到数十或数百kHz。使用(yòng)PWM的显着优点之一是开关器件中的功率损耗非常低。实际上，在开关的断开阶段，实际上没有(yǒu)電(diàn)流。同样，在开关的接通阶段，在将功率传输到其负载时，开关两端的電(diàn)压实际上没有(yǒu)下降。

由于功率损耗是電(diàn)压和電(diàn)流的结果，因此这实际上转化為(wèi)PWM的功率损耗為(wèi)零。此外，由于数字技术的特性（即1和0，或ON和OFF状态），PWM非常适合数字控制。通常，数字技术的内在本质不费吹灰之力就可(kě)以发挥PWM功能(néng)的作用(yòng)，因此很(hěn)容易设置必要的占空比。

PWM特性

PWM信号是一种创建数字脉冲以控制模拟電(diàn)路的方法。有(yǒu)两个主要成分(fēn)定义了PWM信号的行為(wèi)：

占空比：占空比是系统或信号处于活动状态时一个周期的分(fēn)数。我们通常将占空比表示為(wèi)比率或百分(fēn)比。周期是信号结束整个开-关周期所花(huā)费的时间。

频率：在特定时期内某事物(wù)重复或发生的频率。换句话说，通常每秒(miǎo)计算的产生波的振动发生的速率，例如声波，无線(xiàn)電(diàn)波或光波。

关于占空比，当信号為(wèi)高電(diàn)平时，我们将其称為(wèi)ON，占空比描述了信号处于ON状态的时间。我们用(yòng)百分(fēn)比来衡量或量化占空比。该百分(fēn)比表示一个周期（时间间隔）内数字信号打开的特定时间，该时间间隔是波形频率的倒数。

例如，在开状态下花(huā)费一半时间而在关状态下花(huā)费一半时间的数字信号将具有(yǒu)50％的占空比，即理(lǐ)想的方波。在开状态下花(huā)费四分(fēn)之三时间而在关状态下花(huā)费四分(fēn)之一时间的数字信号的占空比為(wèi)75％。

PWM特性续

我们讨论了非常适合PWM功能(néng)的各种应用(yòng)，包括LED和電(diàn)机（伺服）。由于频率是PWM技术的主要组成部分(fēn)，因此可(kě)以理(lǐ)解，频率会影响PWM在应用(yòng)程序中施加控制的能(néng)力。因此，例如，如果要控制LED以获得适当的调光效果，则方波频率的确需要足够高。

例如，人眼会注意到LED在关闭和打开的情况下，在1 Hz下20％的占空比。然而，在100 Hz或更高的频率下20％的占空比将仅显示稍弱的暗光输出。

如您所知，我们可(kě)以利用(yòng)PWM控制電(diàn)动机（伺服）。我们也可(kě)以使用(yòng)它来控制伺服電(diàn)机的角度。在应用(yòng)方面，当我们将其连接到组装或制造环境中的机械设备（如机械臂）时，这是有(yǒu)益的。这是理(lǐ)想的，因為(wèi)伺服器使用(yòng)的轴根据其控制線(xiàn)旋转到特定位置。

PWM频率

频率或周期特定于控制特定的伺服器。通常，伺服電(diàn)动机会每20 ms进行一次1 ms到2 ms之间的脉冲更新(xīn)。这相当于在50 Hz时占空比為(wèi)5％到10％。现在，如果脉冲為(wèi)1.5 ms，则伺服電(diàn)动机将為(wèi)90度，1 ms，0度以及2 ms，180度。总之，通过将伺服值更新(xīn)為(wèi)1毫秒(miǎo)至2毫秒(miǎo)之间的值，我们可(kě)以获得完整的运动范围。

PWM当前也用(yòng)于特定的通信系统中，其占空比用(yòng)于通过通信通道传递信息。总體(tǐ)而言，PWM是一种从高频脉冲生成低频输出信号的方法或技术。

通过在较高和较低電(diàn)压（DC轨）之间快速切换逆变器支路的输出電(diàn)压，低频输出基本上成為(wèi)整个开关周期的平均電(diàn)压。

PWM作為(wèi)一种控制技术非常适合各种应用(yòng)。除占空比外，PWM频率是其作為(wèi)控制方法功能(néng)的基础。