PWM基本原理

　　脈寬調制（PWM）基本原理：控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

　　例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 π/n ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形。可以看出，各脈沖寬度是按正弦規律變化的。根據沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。

　　在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數改變各脈沖的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側電壓的幅值。

　　根據上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個周期內的脈沖數后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算結果控制電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。

　　下圖為變頻器輸出的PWM波的實時波形。

　　模擬電路PWM的實現電路

　　本圖為一個使用游戲手柄或者航模搖桿上的線性電位器（或線性霍爾元件）控制兩個底盤驅動電機的PWM生成電路。J1是手柄的插座，123和456分別是x，y兩個方向的電位器。U1B提供半電源電壓，U1A是電壓跟隨。x，y分量經過合成成為控制左右輪兩個電機轉速的電壓信號。在使用中，讓L=（x+1）y/（x+1.4），R=（x-1）y/（x-0.6），經過試驗有不錯的效果（數字只是單位，不是電壓值）。經過U1C和U1D組成的施密特振蕩器把電壓轉換為相應的PWM信號，用來控制功率驅動電路。以U1D為例，R1，R2組成有回差的施密特電路，上下門限受輸入電壓影響，C1和R3組成延時回路，如此形成振蕩的脈寬受輸入電壓控制。Q1，Q2是三極管，組成反相器，提供差分的控制信號。具體振蕩過程參見數字電路教材上對555振蕩器的分析。

　　從數字PWM信號獲得準確、快速穩定的模擬電壓

　　脈寬調制（PWM）是從微控制器或FPGA等數字器件產生模擬電壓的一種常用方法。大多數微控制器都具有內置的專用PWM產生外設，而且其僅需幾行RTL代碼即可從FPGA產生一個PWM信號。如果模擬信號的性能要求不是太嚴格，那么這就是一種簡單和實用的方法，因為它只需要一個輸出引腳，而且與具有一個SPI或I2C接口的數模轉換器（DAC）相比，其代碼開銷是非常低。圖1示出了一款典型應用，其采用一個經濾波的數字輸出引腳來產生一個模擬電壓。

　　該方案的諸多不足之處您不必深究就能發現。理想情況下，一個12位模擬信號應具有小于1LSB的紋波，因而對于一個5kHz PWM信號需要采用一個1.2Hz低通濾波器。電壓輸出的阻抗由濾波器電阻決定，如果要保持一個大小合理的濾波電容器，那么它就會相當大。因此，輸出必須只驅動一個高阻抗負載。PWM至模擬轉換函數的斜率（增益）由微控制器（很可能是不準確）的數字電源電壓來決定。一個更微妙的影響是：為了保持線性度，在高態中連接至電源之數字輸出引腳的有效電阻，以及在低態中連接至地的電阻，相比于濾波器電阻的阻值時，失配必須很小。最后，PWM信號必須是連續的，旨在把輸出電壓保持在一個恒定值，假如處理器被置于一種低功率停機狀態，這或許會產生問題。

　　PWM至模擬轉換能否得到改善

　　圖2顯示了試圖彌補這些不足的方法。一個輸出緩沖器允許在使用高阻抗濾波器電阻的同時提供一個低阻抗模擬輸出。通過采用一個外部CMOS緩沖器改善了增益準確度，該緩沖器由一個高精度基準來供電，這樣PWM信號擺幅在地電位和一個準確的高電平之間。此電路是有用的，但缺點是組件數量多，且無法改善1.1秒的穩定時間，再者也沒有辦法在不使用連續PWM信號的情況下“保持”模擬值。

　　PWM至模擬轉換的改善

　　LTC2644和LTC2645是具有內部10ppm/°C基準的雙通道和四通道PWM至電壓輸出DAC，可從數字PWM信號提供真正的8位、10位或12位性能。LTC2644和LTC2645克服了上面提到的那些問題，采取的方法是直接測量輸入PWM信號的占空比，并在每個上升沿上將適當的8、10或12位代碼發送至一個高精度DAC.

　　一個內部1.25V基準把全標度輸出設定為2.5V，如果需要一個不同的全標度輸出，則可使用一個外部基準。一個單獨的IOVCC引腳負責設定數字輸入電平，從而允許直接連接至1.8V FPGA、5V微控制器或介于其間的任何電壓。DC準確度指標是非常出色的，具有5mV偏移、0.8%最大增益誤差和2.5LSB （12位）最大INL.輸出穩定時間為8μs，即可從PWM輸入的上升沿穩定到終值（在12位時為1LSB）的0.024%之內。對于12位版本，PWM頻率范圍為30Hz至6.25kHz.

　　多用途的輸出模式

　　圖4示出了一款典型的電源修整/裕度調節應用電路，其利用了LTC2644的另一項獨特特性。把IDLSEL連接至高電平將選擇“采樣/保持”操作；輸出在啟動時為高阻抗（無裕度調節），輸入端上的一個連續高電平將導致輸出無限期地保持其數值，而一個連續低電平則把輸出置于高阻抗狀態。因此，在上電時可利用一個PWM突發脈沖（其后隨一個高電平）對電源進行一次修整。將PWM信號拉至低電平可使電路干凈地退出裕度調節操作。把IDLSEL連接至GND將選擇“透明模式”，在該模式中，輸入端上的一個連續高電平把輸出設定至全標度，而一個連續低電平則把輸出設定至零標度。

　　結論

　　倘若遭遇典型PWM至模擬轉換方法的局限性，請不要絕望。LTC2645可從脈寬調制數字輸出產生準確、快速穩定的模擬信號，同時保持了低組件數目和代碼簡單性。