脈寬調(diào)制(PWM)是電子學(xué)許多領(lǐng)域廣為采用的一個基本概念。它是一種簡單的平均方法，用于從微波爐功率百分比設(shè)定到LED調(diào)光等各種應(yīng)用。PWM雖在某些方面相當(dāng)復(fù)雜，但實(shí)施方法卻很簡單。
解釋PWM的最簡單方法之一是借助LED照明。以推薦的電流值點(diǎn)亮LED，主要是為了獲得最佳亮度。關(guān)乎工作電流的次要參數(shù)是發(fā)熱和長期可靠性。與調(diào)整工作電流不同，LED的點(diǎn)亮?xí)r間是使用占空比以脈沖方式實(shí)現(xiàn)的。以這種方式，LED雖看似被調(diào)光了，但從電流的角度看，它仍“愉悅”地一如既往工作著。
當(dāng)我以一定百分比的功率啟動微波爐時，我可以聽到風(fēng)扇在連續(xù)工作；但隨著功率的升降，風(fēng)扇速度也隨之周期性變化。在某種程度上，該操作類似于LED調(diào)光，其中：在啟動(ON)時間內(nèi)的100％功率被平均以獲得功率的百分比設(shè)置。
變速電機(jī)驅(qū)動是通過對導(dǎo)通時間進(jìn)行平均、將PWM方法用于控制電機(jī)速度的另一個領(lǐng)域。
在過去30年左右時間，PWM一直是操作開關(guān)電源(SMPS)最喜歡使用的方法。“能干”的半導(dǎo)體、特別是開關(guān)晶體管的發(fā)展使得PWM成為能量轉(zhuǎn)移的可靠方法。典型的降壓穩(wěn)壓器輸入電壓(Vin)和輸出電壓(Vout)比就是PWM的占空比(D)，其中：
Vout / Vin = D
因此，降壓(buck)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的輸出電壓是輸入電壓的百分比(平均)。
生成PWM波形非常容易。所需要的只是：將給定頻率的三角波或鋸齒波饋送到比較器的負(fù)端，將調(diào)制信號饋送到比較器的正端。為實(shí)現(xiàn)完全100％的占空比脈寬，波形的峰峰值必須超過調(diào)制信號范圍。
圖1：PWM波形生成過程。
到目前為止，PWM是基于恒定頻率和后沿調(diào)制的直接平均信號。換句話，時鐘啟動一個PWM信號、到后沿終止就是該脈沖的占空比。然而，還有其它的PWM方法(包括后沿調(diào)制)。弗吉尼亞理工大學(xué)的電力電子學(xué)研究探討了這種方法，發(fā)現(xiàn)在升壓和反激轉(zhuǎn)換器中，它有能消弭(offset)右半平面零點(diǎn)的優(yōu)勢。類似工作的摘錄表示：“它顯示了固定頻率、前沿調(diào)制PWM如何在實(shí)際的升壓和反激轉(zhuǎn)換器中消除不希望的正零。這導(dǎo)致閉環(huán)特性的實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。采用了幾種技術(shù)來預(yù)測這一結(jié)果。提出了消除正零的設(shè)計過程。提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。”
然而，根據(jù)Ray Ridley博士的觀點(diǎn)：前沿調(diào)制雖解決了某些問題，但似乎也帶來了其它問題。其網(wǎng)站稱：“注意：這是對現(xiàn)有衛(wèi)星電力系統(tǒng)的分析，該系統(tǒng)通過巧妙和直觀的設(shè)計，成功消除了RHP零點(diǎn)。不建議你也以這種方式構(gòu)建升壓轉(zhuǎn)換器或反激轉(zhuǎn)換器，但你有時可能會遇到這種現(xiàn)象。若你涉足轉(zhuǎn)換器控制理論，那么這是篇有趣的論文。但因?yàn)樵摲椒ㄐ枰褂酶叩刃Т?lián)電阻(ESR)電容，從而導(dǎo)致?lián)p耗和噪聲的提高，所以在大多數(shù)情況下并不實(shí)用。”
其它形式的PWM還包括同時調(diào)制波形的前沿和后沿。維基百科對PWM的解釋包括一張圖，它顯示了三種調(diào)制類型(前沿、中間、后尾)，如下所示：
圖2：三種類型的PWM信號(藍(lán)色)：前沿調(diào)制(上)、后沿調(diào)制(中)和居中脈沖(兩個邊沿都被調(diào)制，底部)。綠線是鋸齒波(第一和第二種情況)和三角波(第三種情況)，用于使用交集方法產(chǎn)生PWM波形。(圖片來自維基百科)
用模擬方式生成PWM不是唯一方法。隨著數(shù)字控制為電子技術(shù)增加越來越多的智能，數(shù)字PWM方法正變得越來越普遍。科羅拉多大學(xué)的朋友們再次在電力電子研究領(lǐng)域研究了數(shù)字PWM。我發(fā)現(xiàn)這個工作很有趣，因?yàn)樗粌H涉及了采樣和A/D轉(zhuǎn)換，有關(guān)文獻(xiàn)也涉及了與控制相關(guān)的狀態(tài)方程以及環(huán)路增益方程。還提及了顯示環(huán)路增益和相位性能的波特圖。
最后，就PWM來說，它絕非只是基本的平均，其內(nèi)涵要豐富地多。當(dāng)在系統(tǒng)控制環(huán)路中正確實(shí)現(xiàn)PWM，就可以優(yōu)化穩(wěn)定性和響應(yīng)時間。我喜歡這個主題和閱讀。我希望你也如此。除了本位的介紹之外，關(guān)于PWM，可學(xué)的還有很多。
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