PWM脉宽调制:基础和一些高级概念

2018-10-12 12:52 558 0 分类: 电源/新能源

脉宽调制(PWM)是电子学许多领域广为采用的一个基本概念。它是一种简单的平均方法,用于从微波炉功率百分比设定到LED调光等各种应用。PWM虽在某些方面相当复杂,但实施方法却很简单。

解释PWM的最简单方法之一是借助LED照明。以推荐的电流值点亮LED,主要是为了获得最佳亮度。关乎工作电流的次要参数是发热和长期可靠性。与调整工作电流不同,LED的点亮时间是使用占空比以脉冲方式实现的。以这种方式,LED虽看似被调光了,但从电流的角度看,它仍“愉悦”地一如既往工作着。

当我以一定百分比的功率启动微波炉时,我可以听到风扇在连续工作;但随着功率的升降,风扇速度也随之周期性变化。在某种程度上,该操作类似于LED调光,其中:在启动(ON)时间内的100%功率被平均以获得功率的百分比设置。

变速电机驱动是通过对导通时间进行平均、将PWM方法用于控制电机速度的另一个领域。

在过去30年左右时间,PWM一直是操作开关电源(SMPS)最喜欢使用的方法。“能干”的半导体、特别是开关晶体管的发展使得PWM成为能量转移的可靠方法。典型的降压稳压器输入电压(Vin)和输出电压(Vout)比就是PWM的占空比(D),其中:

Vout / Vin = D

因此,降压(buck)稳压器产生的输出电压是输入电压的百分比(平均)。

生成PWM波形非常容易。所需要的只是:将给定频率的三角波或锯齿波馈送到比较器的负端,将调制信号馈送到比较器的正端。为实现完全100%的占空比脉宽,波形的峰峰值必须超过调制信号范围。

PWM17101901
图1:PWM波形生成过程。

PWM Modulator: PWM调制器

Why ramp symmetry doesn’t matter: 为什么斜对称不重要

到目前为止,PWM是基于恒定频率和后沿调制的直接平均信号。换句话,时钟启动一个PWM信号、到后沿终止就是该脉冲的占空比。然而,还有其它的PWM方法(包括后沿调制)。弗吉尼亚理工大学的电力电子学研究探讨了这种方法,发现在升压和反激转换器中,它有能消弭(offset)右半平面零点的优势。类似工作的摘录表示:“它显示了固定频率、前沿调制PWM如何在实际的升压和反激转换器中消除不希望的正零。这导致闭环特性的实质性改进。采用了几种技术来预测这一结果。提出了消除正零的设计过程。提供了实验验证。”

然而,根据Ray Ridley博士的观点:前沿调制虽解决了某些问题,但似乎也带来了其它问题。其网站称:“注意:这是对现有卫星电力系统的分析,该系统通过巧妙和直观的设计,成功消除了RHP零点。不建议你也以这种方式构建升压转换器或反激转换器,但你有时可能会遇到这种现象。若你涉足转换器控制理论,那么这是篇有趣的论文。但因为该方法需要使用高等效串联电阻(ESR)电容,从而导致损耗和噪声的提高,所以在大多数情况下并不实用。”

其它形式的PWM还包括同时调制波形的前沿和后沿。维基百科对PWM的解释包括一张图,它显示了三种调制类型(前沿、中间、后尾),如下所示:

PWM17101902
图2:三种类型的PWM信号(蓝色):前沿调制(上)、后沿调制(中)和居中脉冲(两个边沿都被调制,底部)。绿线是锯齿波(第一和第二种情况)和三角波(第三种情况),用于使用交集方法产生PWM波形。(图片来自维基百科)

用模拟方式生成PWM不是唯一方法。随着数字控制为电子技术增加越来越多的智能,数字PWM方法正变得越来越普遍。科罗拉多大学的朋友们再次在电力电子研究领域研究了数字PWM。我发现这个工作很有趣,因为它不仅涉及了采样和A/D转换,有关文献也涉及了与控制相关的状态方程以及环路增益方程。还提及了显示环路增益和相位性能的波特图。

最后,就PWM来说,它绝非只是基本的平均,其内涵要丰富地多。当在系统控制环路中正确实现PWM,就可以优化稳定性和响应时间。我喜欢这个主题和阅读。 我希望你也如此。除了本位的介绍之外,关于PWM,可学的还有很多。

本文来自《电子工程专辑》2017年9月刊,版权所有,谢绝转载

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