PWM控制(脈沖寬度調(diào)制)的基本原理

PWM(Pulse-width modulation)是脈沖寬度調(diào)制的縮寫。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬信號(hào)電平數(shù)字編碼方法。脈沖寬度調(diào)制PWM是通過將有效的電信號(hào)分散成離散形式從而來降低電信號(hào)所傳遞的平均功率的一種方式。所以根據(jù)面積等效法則，可以通過對(duì)改變脈沖的時(shí)間寬度，來等效的獲得所需要合成的相應(yīng)幅值和頻率的波形。實(shí)現(xiàn)模擬電路的數(shù)字化控制可顯著降低系統(tǒng)成本和功耗。許多微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 已包括了 PWM控制器芯片，因此可以更輕松地實(shí)施數(shù)字化控制。PWM信號(hào)是通過調(diào)節(jié)占空比的變化來調(diào)節(jié)信號(hào)、能量等的變化。

PWM控制(脈沖寬度調(diào)制)的基本原理

控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形，也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少，按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

脈沖寬度調(diào)制的簡介

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

脈沖寬度調(diào)制的發(fā)展背景

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化，可以通過調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。

脈沖寬度調(diào)制的特點(diǎn)

PWM的特點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小，噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。

對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因，從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離，在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。

控制方法

等脈寬PWM法

等脈寬PWM法是PWM法中最為簡單的一種，它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波，通過改變其周期，達(dá)到調(diào)頻的效果，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。

隨機(jī)PWM

在20世紀(jì)70年代開始至20世紀(jì)80年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般不超過5kHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波造成的振動(dòng)引起了人們的關(guān)注，為求得改善，隨機(jī)PWM方法應(yīng)運(yùn)而生。

SPWM法

SPWM法是一種比較成熟的，如今使用較廣泛的PWM法，前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同的。

線電壓控制PWM

前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時(shí)，都是對(duì)三相輸出相電壓分別進(jìn)行控制的，使其輸出接近正弦波，但是，對(duì)于像三相異步電動(dòng)機(jī)這樣的三相無中線對(duì)稱負(fù)載，逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著眼于使線電壓趨于正弦。

電流控制PWM

電流控制PWM的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際的電流波形作為反饋信號(hào)，通過兩者瞬時(shí)值的比較來決定各開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際輸出隨指令信號(hào)的改變而改變。

應(yīng)用領(lǐng)域

電信

在電信使用上，脈沖寬度調(diào)制是一種信號(hào)調(diào)制的形式，其脈沖波的寬度對(duì)應(yīng)到另一個(gè)特定資料會(huì)在傳送端被編碼，并于接收端解碼，不同長度的脈沖波將會(huì)每隔固定的時(shí)間后被傳遞。

能量的傳遞

脈沖寬度調(diào)制可以被用來控制對(duì)于一個(gè)載流子能量傳遞的多寡，而不會(huì)產(chǎn)生由阻抗所造成的線性能量傳遞損失，此方法所需要付出的代價(jià)是，載流子所流失的能量并非一個(gè)常數(shù)且是不連續(xù)的，載流子上傳遞的能量也不是連續(xù)的。

現(xiàn)在的社會(huì)發(fā)展離不開電子產(chǎn)品，做電源設(shè)計(jì)的工程師天天接觸的就是脈沖寬度調(diào)制(PWM)，脈沖頻率調(diào)制(PFM)，脈沖寬度頻率調(diào)制(PWM-PFM)。然而我們的主題就是PWM與PFM，我看看還有哪些我們需要進(jìn)一步了解~

開關(guān)電源的控制技術(shù)主要有三種：(1)脈沖寬度調(diào)制(PWM);(2)脈沖頻率調(diào)制(PFM);(3)脈沖寬度頻率調(diào)制(PWM-PFM).

做電源設(shè)計(jì)的應(yīng)該都知道PWM 和PFM 這兩個(gè)概念

PWM：脈沖寬度調(diào)制

脈寬調(diào)制PWM是開關(guān)型穩(wěn)壓電源中的術(shù)語。這是按穩(wěn)壓的控制方式分類的，除了PWM型，還有PFM型和PWM、PFM混合型。脈寬寬度調(diào)制式(PWM)開關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

PFM： 脈沖頻率調(diào)制

一種脈沖調(diào)制技術(shù)，調(diào)制信號(hào)的頻率隨輸入信號(hào)幅值而變化，其占空比不變。由于調(diào)制信號(hào)通常為頻率變化的方波信號(hào)，因此，PFM也叫做方波FM。PWM是頻率的寬和窄的變化,PFM是頻率的有和無的變化, PWM是利用波脈沖寬度控制輸出,PFM是利用脈沖的有無控制輸出.

其中PWM是目前應(yīng)用在開關(guān)電源中最為廣泛的一種控制方式，它的特點(diǎn)是噪音低、滿負(fù)載時(shí)效率高且能工作在連續(xù)導(dǎo)電模式，現(xiàn)在市場上有多款性能好、價(jià)格低的PWM集成芯片;PFM具有靜態(tài)功耗小的優(yōu)點(diǎn)，但它沒有限流的功能也不能工作于連續(xù)導(dǎo)電方式。

與PWM相比，PFM的輸出電流小，但是因PFM控制的DC/DC變換器在達(dá)到設(shè)定電壓以上時(shí)就會(huì)停止動(dòng)作，所以消耗的電流就會(huì)變得很小。因此，消耗電流的減少可改進(jìn)低負(fù)荷時(shí)的效率。PWM在低負(fù)荷時(shí)雖然效率較遜色，但是因其紋波電壓小，且開關(guān)頻率固定，所以噪聲濾波器設(shè)計(jì)比較容易，消除噪聲也較簡單。

若需同時(shí)具備PFM與PWM的優(yōu)點(diǎn)的話，可選擇PWM/PFM切換控制式DC/DC變換器。此功能是在重負(fù)荷時(shí)由PWM控制，低負(fù)荷時(shí)自動(dòng)切換到PFM控制，即在一款產(chǎn)品中同時(shí)具備PWM的優(yōu)點(diǎn)與PFM的優(yōu)點(diǎn)。在備有待機(jī)模式的系統(tǒng)中，采用PFM/PWM切換控制的產(chǎn)品能得到較高效率。

總結(jié)：通過學(xué)習(xí)可以對(duì)PWM和PFM進(jìn)一步了解，從此工作中可以避免彎路。希望大家在學(xué)習(xí)過程中不斷積累，為我們的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)做出自己的貢獻(xiàn)。