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技術(shù)專題
線路板設(shè)計(jì)脈沖寬度調(diào)制特性以及頻率和占空比的影響
在線路板設(shè)計(jì)中，調(diào)制是對某物的控制或改變影響的應(yīng)用。我們也將其稱為頻率的音調(diào)，強(qiáng)度或音調(diào)的變化，就像人類的聲音一樣。
但是，在應(yīng)用方面，我們通常會遇到用于控制直流電動機(jī)或LED等設(shè)備的調(diào)制技術(shù)。在這種情況下，該技術(shù)稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM）。
脈寬調(diào)制技術(shù)
如前所述，調(diào)制是指對設(shè)備或系統(tǒng)施加控制的能力。因此，諸如此類的方法存在于電子領(lǐng)域內(nèi)的眾多應(yīng)用中。調(diào)制作為控制方法最常見的用途之一是PWM。
由于其自適應(yīng)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，通過有效地將信號切成不同的部分來實(shí)現(xiàn)該過程。在功能操作方面，PWM通過控制其傳遞給負(fù)載的平均電流和電壓來實(shí)現(xiàn)此控制。通過快速打開和關(guān)閉負(fù)載和電源之間的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)此方法。
但是，如果我們比較開關(guān)的接通和斷開時間，則接通時間與斷開時間的增加會增加提供給負(fù)載的總功率。通常，這種控制方法具有許多有益的應(yīng)用。例如，PWM與最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）配對是減少太陽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(diào)制頻率
總體而言，PWM主要適用于運(yùn)行慣性設(shè)備（例如電動機(jī)），該慣性設(shè)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?yàn)槠渚€性方式會影響其輸入電壓，從而影響其功能。但是，PWM開關(guān)頻率必須足夠高，以不影響負(fù)載，但是負(fù)載感知到的結(jié)果波形也應(yīng)該是平滑的。
通常，電源必須切換的頻率會根據(jù)設(shè)備及其應(yīng)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(dá)到數(shù)十或數(shù)百kHz。使用PWM的顯著優(yōu)點(diǎn)之一是開關(guān)器件中的功率損耗非常低。實(shí)際上，在開關(guān)的斷開階段，實(shí)際上沒有電流。同樣，在開關(guān)的接通階段，在將功率傳輸?shù)狡湄?fù)載時，開關(guān)兩端的電壓實(shí)際上沒有下降。
由于功率損耗是電壓和電流的結(jié)果，因此這實(shí)際上轉(zhuǎn)化為PWM的功率損耗為零。此外，由于數(shù)字技術(shù)的特性（即1和0，或ON和OFF狀態(tài)），PWM非常適合數(shù)字控制。通常，數(shù)字技術(shù)的內(nèi)在本質(zhì)不費(fèi)吹灰之力就可以發(fā)揮PWM功能的作用，因此很容易設(shè)置必要的占空比。
PWM特性
PWM信號是一種創(chuàng)建數(shù)字脈沖以控制模擬電路的方法。有兩個主要成分定義了PWM信號的行為：
占空比：占空比是系統(tǒng)或信號處于活動狀態(tài)時一個周期的分?jǐn)?shù)。我們通常將占空比表示為比率或百分比。周期是信號結(jié)束整個開-關(guān)周期所花費(fèi)的時間。
頻率：在特定時期內(nèi)某事物重復(fù)或發(fā)生的頻率。換句話說，通常每秒計(jì)算的產(chǎn)生波的振動發(fā)生的速率，例如聲波，無線電波或光波。
關(guān)于占空比，當(dāng)信號為高電平時，我們將其稱為ON，占空比描述了信號處于ON狀態(tài)的時間。我們用百分比來衡量或量化占空比。該百分比表示一個周期（時間間隔）內(nèi)數(shù)字信號打開的特定時間，該時間間隔是波形頻率的倒數(shù)。
例如，在開狀態(tài)下花費(fèi)一半時間而在關(guān)狀態(tài)下花費(fèi)一半時間的數(shù)字信號將具有50％的占空比，即理想的方波。在開狀態(tài)下花費(fèi)四分之三時間而在關(guān)狀態(tài)下花費(fèi)四分之一時間的數(shù)字信號的占空比為75％。
PWM特性續(xù)
我們討論了非常適合PWM功能的各種應(yīng)用，包括LED和電機(jī)（伺服）。由于頻率是PWM技術(shù)的主要組成部分，因此可以理解，頻率會影響PWM在應(yīng)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(dāng)?shù)恼{(diào)光效果，則方波頻率的確需要足夠高。
例如，人眼會注意到LED在關(guān)閉和打開的情況下，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控制電動機(jī)（伺服）。我們也可以使用它來控制伺服電機(jī)的角度。在應(yīng)用方面，當(dāng)我們將其連接到組裝或制造環(huán)境中的機(jī)械設(shè)備（如機(jī)械臂）時，這是有益的。這是理想的，因?yàn)樗欧魇褂玫妮S根據(jù)其控制線旋轉(zhuǎn)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，伺服電動機(jī)會每20 ms進(jìn)行一次1 ms到2 ms之間的脈沖更新。這相當(dāng)于在50 Hz時占空比為5％到10％。現(xiàn)在，如果脈沖為1.5 ms，則伺服電動機(jī)將為90度，1
ms，0度以及2 ms，180度。總之，通過將伺服值更新為1毫秒至2毫秒之間的值，我們可以獲得完整的運(yùn)動范圍。
PWM當(dāng)前也用于特定的通信系統(tǒng)中，其占空比用于通過通信通道傳遞信息。總體而言，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開關(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(yīng)用。除占空比外，PWM頻率是其作為控制方法功能的基礎(chǔ)。