什么是脈寬調制？

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

在更基本的層面上，調制是對設備或系統施加控制或影響。在電子學中，它是將數據（或信息編碼）轉換為電信號的過程，以控制施加到負載的電信號的平均功率或幅值。這對于諸如電機和功率控制、音頻放大、照明控制和電池充電等任務非常有用。

脈寬調制（PWM）、幅度調制（AM）和頻率調制（FM）是控制信號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關注PWM。

脈寬調制是如何工作的？

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

實際上，PWM通過改變設備接收全額額定電壓的時間來減少提供給設備的電能。當信號的“開啟時間”增加或減少時，信號的平均電壓也隨之變化。PWM有兩個描述其行為的關鍵組成部分：占空比和頻率。

什么是占空比？

占空比是一個周期（或完整開關周期）內信號處于活動或開啟狀態的時間比例。占空比以信號在一個周期內開啟時間的百分比（%）表示。例如，一個數字信號在開啟狀態下持續3毫秒，在關閉狀態下持續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脈沖的開啟時間，因此通過調節占空比可以通過改變信號高低時間比例來控制施加到設備的功率。這意味著占空比調節允許對設備進行精確控制，而無需改變電壓。占空比通常是唯一可以控制的信號值，因為設備中的電壓和頻率通常是固定的。在使用PWM控制功率傳輸的設計中，例如加熱元件，測量占空比還可以表明系統是否在正確的功率水平下運行。

什么是開關頻率？

開關頻率是某事在特定時間周期內重復的速率。在我們的案例中，它本質上指每秒開關開啟和關閉的頻率（開關速度）。頻率通常以赫茲（Hz）表示。

為了控制負載，PWM開關頻率必須仔細選擇，以匹配特定負載或應用。對于某些應用頻率過高可能導致機械控制部件失效；頻率過低可能引起負載振蕩或產生聲學噪聲。例如，電機的頻率可以設置較低，而固態器件如LED可能需要更高頻率。

使用PWM的優勢

脈寬調制的主要優勢是高效率，因為開關器件的功率損耗最小。在關閉狀態下幾乎沒有電流，在傳遞功率到負載的開啟狀態下幾乎沒有電壓降，因此功率損耗很低。

使用PWM的其他優點包括：

• 由于其開關特性，熱量產生少于線性穩壓器

• 與數字系統兼容

• 相比線性穩壓器，提高了控制設備的功率效率

• 通過調節占空比精確控制平均輸出電壓或電流

• 由于設計簡化，減少了與其他控制方法相比所需的復雜電路和反饋機制

• 可廣泛應用于多種不同設備的控制

使用PWM的缺點

盡管脈寬調制是一種優雅的控制解決方案，但也存在設計挑戰。使用PWM的一些缺點包括：

• 高頻率可能會導致較大的開關損耗

• 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

• 對于高功率應用，PWM電路可能復雜

示例開關頻率和占空比

由于頻率和占空比是PWM控制應用中的兩個關鍵組成部分，每個都需要匹配特定用途。以下產品領域示例可從Same Sky獲取。根據應用的不同，有幾個差異值得注意。

風扇的推薦開關頻率和占空比

大多數風扇應用使用20 kHz至25 kHz的PWM頻率，占空比可調范圍為0%（關閉）到100%（全速）以控制風扇速度。使用較高頻率通常意味著風扇運轉更平滑，噪聲更低。風扇制造商通常會指定推薦的PWM頻率和占空比范圍，以確保風扇最佳性能。

蜂鳴器的推薦開關頻率和占空比

控制蜂鳴器時，PWM頻率通常設置在1 kHz至10 kHz之間，因為人耳可聽頻率范圍通常在20 Hz至20 kHz之間。調節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，因為大多數設計需要特定的狹窄頻率范圍。50%占空比通常可產生平衡音量。

蜂鳴器在約15%占空比下產生的音量低于50%占空比時的音量。

超聲波傳感器的推薦開關頻率和占空比

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。請務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，占空比用于調節所需制冷量。請參考制造商的推薦值。

PWM的常見應用

脈寬調制技術可作為控制方法應用于廣泛的行業和場景。我們已經提到風扇、蜂鳴器、超聲波傳感器和佩爾帖設備。其他應用還包括但不限于：

• LED和白熾燈控制

• 機器人伺服電機速度和角度控制

• 太陽能板輸出控制

• 電源輸出電壓控制

• 直流電機速度控制

• 加熱元件調節

• 電池充電管理

• 音頻放大器信號生成

• 電信信息編碼

• 汽車油門和噴油控制

總結

調制是對設備或系統施加控制的應用。脈寬調制尤其是一種高效有效的方法，用于控制各種電子設備的功率。與其他控制技術相比，它允許精確控制和低功耗操作，并可通過數字信號實現類模擬控制。