什么是脈寬調(diào)制？

脈寬調(diào)制（PWM）是一種控制方法，通過高效地將施加的電信號(hào)切分成不同部分來降低平均功率。PWM利用數(shù)字源控制模擬信號(hào)的平均幅值。

在更基本的層面上，調(diào)制是對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)施加控制或影響。在電子學(xué)中，它是將數(shù)據(jù)（或信息編碼）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程，以控制施加到負(fù)載的電信號(hào)的平均功率或幅值。這對(duì)于諸如電機(jī)和功率控制、音頻放大、照明控制和電池充電等任務(wù)非常有用。

脈寬調(diào)制（PWM）、幅度調(diào)制（AM）和頻率調(diào)制（FM）是控制信號(hào)的表觀幅值或頻率的三種最常見方法，但我們將在本文中重點(diǎn)關(guān)注PWM。

脈寬調(diào)制是如何工作的？

如前所述，脈寬調(diào)制通過控制施加到負(fù)載的平均電流和電壓來修改信號(hào)。它通過快速打開和關(guān)閉晶體管（在高電壓和低電壓狀態(tài)之間切換）在源和負(fù)載之間形成模式來實(shí)現(xiàn)。信息通過改變高低信號(hào)的持續(xù)時(shí)間來傳遞。

實(shí)際上，PWM通過改變?cè)O(shè)備接收全額額定電壓的時(shí)間來減少提供給設(shè)備的電能。當(dāng)信號(hào)的“開啟時(shí)間”增加或減少時(shí)，信號(hào)的平均電壓也隨之變化。PWM有兩個(gè)描述其行為的關(guān)鍵組成部分：占空比和頻率。

什么是占空比？

占空比是一個(gè)周期（或完整開關(guān)周期）內(nèi)信號(hào)處于活動(dòng)或開啟狀態(tài)的時(shí)間比例。占空比以信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)開啟時(shí)間的百分比（%）表示。例如，一個(gè)數(shù)字信號(hào)在開啟狀態(tài)下持續(xù)3毫秒，在關(guān)閉狀態(tài)下持續(xù)1毫秒，則占空比為75%，周期為4毫秒，頻率為250赫茲。

由于占空比有效地決定了周期內(nèi)脈沖的開啟時(shí)間，因此通過調(diào)節(jié)占空比可以通過改變信號(hào)高低時(shí)間比例來控制施加到設(shè)備的功率。這意味著占空比調(diào)節(jié)允許對(duì)設(shè)備進(jìn)行精確控制，而無需改變電壓。占空比通常是唯一可以控制的信號(hào)值，因?yàn)樵O(shè)備中的電壓和頻率通常是固定的。在使用PWM控制功率傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)中，例如加熱元件，測(cè)量占空比還可以表明系統(tǒng)是否在正確的功率水平下運(yùn)行。

什么是開關(guān)頻率？

開關(guān)頻率是某事在特定時(shí)間周期內(nèi)重復(fù)的速率。在我們的案例中，它本質(zhì)上指每秒開關(guān)開啟和關(guān)閉的頻率（開關(guān)速度）。頻率通常以赫茲（Hz）表示。

為了控制負(fù)載，PWM開關(guān)頻率必須仔細(xì)選擇，以匹配特定負(fù)載或應(yīng)用。對(duì)于某些應(yīng)用頻率過高可能導(dǎo)致機(jī)械控制部件失效；頻率過低可能引起負(fù)載振蕩或產(chǎn)生聲學(xué)噪聲。例如，電機(jī)的頻率可以設(shè)置較低，而固態(tài)器件如LED可能需要更高頻率。

使用PWM的優(yōu)勢(shì)

脈寬調(diào)制的主要優(yōu)勢(shì)是高效率，因?yàn)殚_關(guān)器件的功率損耗最小。在關(guān)閉狀態(tài)下幾乎沒有電流，在傳遞功率到負(fù)載的開啟狀態(tài)下幾乎沒有電壓降，因此功率損耗很低。

使用PWM的其他優(yōu)點(diǎn)包括：

• 由于其開關(guān)特性，熱量產(chǎn)生少于線性穩(wěn)壓器

• 與數(shù)字系統(tǒng)兼容

• 相比線性穩(wěn)壓器，提高了控制設(shè)備的功率效率

• 通過調(diào)節(jié)占空比精確控制平均輸出電壓或電流

• 由于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，減少了與其他控制方法相比所需的復(fù)雜電路和反饋機(jī)制

• 可廣泛應(yīng)用于多種不同設(shè)備的控制

使用PWM的缺點(diǎn)

盡管脈寬調(diào)制是一種優(yōu)雅的控制解決方案，但也存在設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。使用PWM的一些缺點(diǎn)包括：

• 高頻率可能會(huì)導(dǎo)致較大的開關(guān)損耗

• PWM可能引起電壓尖峰

• 使用PWM可能在電路中引入電磁干擾（EMI）、諧波失真和電噪聲

• 對(duì)于高功率應(yīng)用，PWM電路可能復(fù)雜

示例開關(guān)頻率和占空比

由于頻率和占空比是PWM控制應(yīng)用中的兩個(gè)關(guān)鍵組成部分，每個(gè)都需要匹配特定用途。以下產(chǎn)品領(lǐng)域示例可從Same Sky獲取。根據(jù)應(yīng)用的不同，有幾個(gè)差異值得注意。

風(fēng)扇的推薦開關(guān)頻率和占空比

大多數(shù)風(fēng)扇應(yīng)用使用20 kHz至25 kHz的PWM頻率，占空比可調(diào)范圍為0%（關(guān)閉）到100%（全速）以控制風(fēng)扇速度。使用較高頻率通常意味著風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)更平滑，噪聲更低。風(fēng)扇制造商通常會(huì)指定推薦的PWM頻率和占空比范圍，以確保風(fēng)扇最佳性能。

蜂鳴器的推薦開關(guān)頻率和占空比

控制蜂鳴器時(shí)，PWM頻率通常設(shè)置在1 kHz至10 kHz之間，因?yàn)槿硕陕狀l率范圍通常在20 Hz至20 kHz之間。調(diào)節(jié)占空比可以控制蜂鳴器音量，但50%的占空比通常在響度與失真之間取得平衡。同樣，建議參考蜂鳴器制造商，因?yàn)榇蠖鄶?shù)設(shè)計(jì)需要特定的狹窄頻率范圍。50%占空比通常可產(chǎn)生平衡音量。

蜂鳴器在約15%占空比下產(chǎn)生的音量低于50%占空比時(shí)的音量。

超聲波傳感器的推薦開關(guān)頻率和占空比

超聲波傳感器最常見的PWM頻率范圍為20 kHz至400 kHz，占空比為50%，以確保清晰的超聲脈沖。請(qǐng)務(wù)必查看制造商的推薦值以獲得最佳效果。

佩爾帖元件的推薦開關(guān)頻率和占空比

使用PWM控制佩爾帖制冷器通常需要300 Hz至3 kHz的頻率，占空比用于調(diào)節(jié)所需制冷量。請(qǐng)參考制造商的推薦值。

PWM的常見應(yīng)用

脈寬調(diào)制技術(shù)可作為控制方法應(yīng)用于廣泛的行業(yè)和場(chǎng)景。我們已經(jīng)提到風(fēng)扇、蜂鳴器、超聲波傳感器和佩爾帖設(shè)備。其他應(yīng)用還包括但不限于：

• LED和白熾燈控制

• 機(jī)器人伺服電機(jī)速度和角度控制

• 太陽能板輸出控制

• 電源輸出電壓控制

• 直流電機(jī)速度控制

• 加熱元件調(diào)節(jié)

• 電池充電管理

• 音頻放大器信號(hào)生成

• 電信信息編碼

• 汽車油門和噴油控制

總結(jié)

調(diào)制是對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)施加控制的應(yīng)用。脈寬調(diào)制尤其是一種高效有效的方法，用于控制各種電子設(shè)備的功率。與其他控制技術(shù)相比，它允許精確控制和低功耗操作，并可通過數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)類模擬控制。