線(xiàn)路板設計脈沖寬度調制特性以及頻率和占空比的影響

2020-11-07

在線(xiàn)路板設計中，調制是對某物的控制或改變影響的應用。我們也將其稱(chēng)為頻率的音調，強度或音調的變化，就像人類(lèi)的聲音一樣。

但是，在應用方面，我們通常會(huì )遇到用于控制直流電動(dòng)機或LED等設備的調制技術(shù)。在這種情況下，該技術(shù)稱(chēng)為脈沖寬度調制（PWM）。

脈寬調制技術(shù)

如前所述，調制是指對設備或系統施加控制的能力。因此，諸如此類(lèi)的方法存在于電子領(lǐng)域內的眾多應用中。調制作為控制方法最常見(jiàn)的用途之一是PWM。

由于其自適應特性，我們遇到了PWM的廣泛使用。PWM是一種減輕施加的電信號的平均可傳遞功率量的技術(shù)。而且，通過(guò)有效地將信號切成不同的部分來(lái)實(shí)現該過(guò)程。在功能操作方面，PWM通過(guò)控制其傳遞給負載的平均電流和電壓來(lái)實(shí)現此控制。通過(guò)快速打開(kāi)和關(guān)閉負載和電源之間的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現此方法。

但是，如果我們比較開(kāi)關(guān)的接通和斷開(kāi)時(shí)間，則接通時(shí)間與斷開(kāi)時(shí)間的增加會(huì )增加提供給負載的總功率。通常，這種控制方法具有許多有益的應用。例如，PWM與最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）配對是減少太陽(yáng)能電池板輸出以促進(jìn)其被電池使用的主要方法之一。

脈寬調制頻率

總體而言，PWM主要適用于運行慣性設備（例如電動(dòng)機），該慣性設備不受這種明顯切換的影響那么快。對于具有PWM的LED，這同樣適用，因為其線(xiàn)性方式會(huì )影響其輸入電壓，從而影響其功能。但是，PWM開(kāi)關(guān)頻率必須足夠高，以不影響負載，但是負載感知到的結果波形也應該是平滑的。

通常，電源必須切換的頻率會(huì )根據設備及其應用的不同而有很大差異。例如，切換必須在電爐中每分鐘進(jìn)行幾次，并且對于PC電源和音頻放大器而言，切換頻率必須達到數十或數百kHz。使用PWM的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)之一是開(kāi)關(guān)器件中的功率損耗非常低。實(shí)際上，在開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)階段，實(shí)際上沒(méi)有電流。同樣，在開(kāi)關(guān)的接通階段，在將功率傳輸到其負載時(shí)，開(kāi)關(guān)兩端的電壓實(shí)際上沒(méi)有下降。

由于功率損耗是電壓和電流的結果，因此這實(shí)際上轉化為PWM的功率損耗為零。此外，由于數字技術(shù)的特性（即1和0，或ON和OFF狀態(tài)），PWM非常適合數字控制。通常，數字技術(shù)的內在本質(zhì)不費吹灰之力就可以發(fā)揮PWM功能的作用，因此很容易設置必要的占空比。

PWM特性

PWM信號是一種創(chuàng )建數字脈沖以控制模擬電路的方法。有兩個(gè)主要成分定義了PWM信號的行為：

占空比：占空比是系統或信號處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)一個(gè)周期的分數。我們通常將占空比表示為比率或百分比。周期是信號結束整個(gè)開(kāi)-關(guān)周期所花費的時(shí)間。

頻率：在特定時(shí)期內某事物重復或發(fā)生的頻率。換句話(huà)說(shuō)，通常每秒計算的產(chǎn)生波的振動(dòng)發(fā)生的速率，例如聲波，無(wú)線(xiàn)電波或光波。

關(guān)于占空比，當信號為高電平時(shí)，我們將其稱(chēng)為ON，占空比描述了信號處于ON狀態(tài)的時(shí)間。我們用百分比來(lái)衡量或量化占空比。該百分比表示一個(gè)周期（時(shí)間間隔）內數字信號打開(kāi)的特定時(shí)間，該時(shí)間間隔是波形頻率的倒數。

例如，在開(kāi)狀態(tài)下花費一半時(shí)間而在關(guān)狀態(tài)下花費一半時(shí)間的數字信號將具有50％的占空比，即理想的方波。在開(kāi)狀態(tài)下花費四分之三時(shí)間而在關(guān)狀態(tài)下花費四分之一時(shí)間的數字信號的占空比為75％。

PWM特性續

我們討論了非常適合PWM功能的各種應用，包括LED和電機（伺服）。由于頻率是PWM技術(shù)的主要組成部分，因此可以理解，頻率會(huì )影響PWM在應用程序中施加控制的能力。因此，例如，如果要控制LED以獲得適當的調光效果，則方波頻率的確需要足夠高。

例如，人眼會(huì )注意到LED在關(guān)閉和打開(kāi)的情況下，在1 Hz下20％的占空比。然而，在100 Hz或更高的頻率下20％的占空比將僅顯示稍弱的暗光輸出。

如您所知，我們可以利用PWM控制電動(dòng)機（伺服）。我們也可以使用它來(lái)控制伺服電機的角度。在應用方面，當我們將其連接到組裝或制造環(huán)境中的機械設備（如機械臂）時(shí)，這是有益的。這是理想的，因為伺服器使用的軸根據其控制線(xiàn)旋轉到特定位置。

PWM頻率

頻率或周期特定于控制特定的伺服器。通常，伺服電動(dòng)機會(huì )每20 ms進(jìn)行一次1 ms到2 ms之間的脈沖更新。這相當于在50 Hz時(shí)占空比為5％到10％?，F在，如果脈沖為1.5 ms，則伺服電動(dòng)機將為90度，1 ms，0度以及2 ms，180度?？傊?，通過(guò)將伺服值更新為1毫秒至2毫秒之間的值，我們可以獲得完整的運動(dòng)范圍。

PWM當前也用于特定的通信系統中，其占空比用于通過(guò)通信通道傳遞信息?？傮w而言，PWM是一種從高頻脈沖生成低頻輸出信號的方法或技術(shù)。

通過(guò)在較高和較低電壓（DC軌）之間快速切換逆變器支路的輸出電壓，低頻輸出基本上成為整個(gè)開(kāi)關(guān)周期的平均電壓。

PWM作為一種控制技術(shù)非常適合各種應用。除占空比外，PWM頻率是其作為控制方法功能的基礎。