第1节 脉宽调制 (修订中)
[TOC]
脉冲宽度调制 (PWM) 使用数字信号来控制电源应用，并且相当容易以最少的硬件转换回模拟信号。
线性电源等模拟系统往往会产生大量热量，因为它们基本上是承载大量电流的可变电阻器。数字系统通常不会产生那么多热量。开关器件产生的几乎所有热量都在转换过程中（完成得很快），而器件既不是开也不是关，而是介于两者之间。这是因为功率遵循以下公式：
P = EI，或瓦特 = 电压 X 电流
如果电压或电流 (opens new window)接近于零，则功率将接近于零。PWM 充分利用了这一事实。
PWM 可以具有模拟控制系统的许多特性，即数字信号可以随心所欲。PWM 不必捕获数据，尽管高端控制器有例外。
# 1. 占空比
任何方波的参数之一是占空比。大多数方波是 50%，这是讨论它们时的标准，但它们不必是对称的。开启时间可以在信号关闭到完全开启、0% 到 100% 以及介于两者之间的所有范围之间完全变化。
下面显示的是 10%、50% 和 90% 占空比的示例。虽然每个频率都相同，但这不是必需的。
PWM 流行的原因很简单。许多负载，例如电阻器 (opens new window)，将功率整合为与百分比匹配的数字。转换为其模拟等效值很简单。LED 对电流的响应非常非线性，给 LED 一半的额定电流，您仍然可以获得 LED 可以产生的一半以上的光。使用 PWM，LED 产生的光水平非常线性。稍后将介绍的电机对 PWM 也非常敏感。
产生 PWM 的几种方法之一是使用锯齿波和比较器 (opens new window)。如下图所示，锯齿波（或三角波）不必对称，但波形的线性很重要。锯齿波的频率是信号的采样率。
如果不涉及任何计算，PWM 会很快。限制因素是比较器的频率响应。这可能不是问题，因为相当多的用途是相当低的速度。一些微控制器内置了 PWM，可以按需记录或创建信号。
PWM 的用途多种多样。它是 D 类音频放大器的核心，通过增加电压可以增加最大输出，并且通过选择超出人类听觉范围的频率（通常为 44Khz）可以使用 PWM。扬声器不响应高频，而是复制低频，即音频信号。更高的采样率可用于更好的保真度，100Khz 或更高的频率并非闻所未闻。
另一个流行的应用是电机速度控制。电机作为一类需要非常高的电流才能运行。能够通过 PWM 改变它们的速度可以大大提高整个系统的效率。PWM 在低 RPM 下控制电机速度方面比线性方法更有效。
# 2. H桥
PWM 通常与 H 桥结合使用。这种配置之所以如此命名，是因为它类似于字母 H，并且允许负载两端的有效电压加倍，因为电源可以在负载的两侧进行切换。在电感负载的情况下，例如电机，二极管 (opens new window)用于抑制电感尖峰，这可能会损坏晶体管。电机中的电感也倾向于抑制波形的高频分量。此配置还可用于 D 类音频放大器的扬声器。
虽然基本准确，但这个 H 桥原理图有一个严重缺陷，在MOSFET (opens new window)之间转换时，顶部和底部的两个晶体管可能同时导通，并且将首当其冲地承受电源所能提供的一切. 这种情况称为_击穿_，并且可能发生在 H 桥中使用的任何类型的晶体管上。如果电源足够强大，晶体管将无法生存。它是通过在晶体管前面使用驱动器来处理的，该驱动器允许一个在允许另一个打开之前关闭。
# 3. 开关电源
开关模式电源 (SMPS) 也可以使用 PWM，但也存在其他方法。[在主要开关组件之后添加使用电感器](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct- 电容器 (opens new window)中存储的功率的拓扑可以将这些设备的效率提高到相当高的水平，在某些情况下超过 90%。以下是此类配置的示例。
在这种情况下，效率以瓦数来衡量。如果您有一个效率为 90% 的 SMPS，并且它将 12VDC 转换为 10 安培的 5VDC，则 12V 侧将拉动大约 4.6 安培的电流。未计入的 10%（5 瓦）将显示为废热。虽然噪音稍大，但这种类型的稳压器运行时比线性稳压器要冷得多。
相关练习：
总目录：