什么是PWM

脈沖寬度調制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實現(xiàn)晶體管或MOS管導通時間的改變，從而實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。

PWM控制技術以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術的發(fā)展已經(jīng)沒有了學科之間的界限，結合現(xiàn)代控制理論思想或實現(xiàn)無諧振波開關技術將會成為PWM控制技術發(fā)展的主要方向之一。其根據(jù)相應載荷的變化來調制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實現(xiàn)晶體管或MOS管導通時間的改變，從而實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。

PWM詳細過程

脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

多數(shù)負載（無論是電感性負載還是電容性負載）需要的調制頻率高于10Hz，通常調制頻率為1kHz到200kHz之間。

許多微控制器內部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內含兩個PWM控制器，每一個都可以選擇接通時間和周期。占空比是接通時間與周期之比；調制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作：

1、設置提供調制方波的片上定時器/計數(shù)器的周期

2、在PWM控制寄存器中設置接通時間

3、設置PWM輸出的方向，這個輸出是一個通用I/O管腳

4、啟動定時器

5、使能PWM控制器

如今幾乎所有市售的單片機都有PWM模塊功能，若沒有（如早期的8051），也可以利用定時器及GPIO口來實現(xiàn)。更為一般的PWM模塊控制流程為（筆者使用過TI的2000系列，AVR的Mega系列，TI的LM系列）：

1、使能相關的模塊（PWM模塊以及對應管腳的GPIO模塊）。

2、配置PWM模塊的功能，具體有：

①：設置PWM定時器周期，該參數(shù)決定PWM波形的頻率。

②：設置PWM定時器比較值，該參數(shù)決定PWM波形的占空比。

③：設置死區(qū)（deadband），為避免橋臂的直通需要設置死區(qū)，一般較高檔的單片機都有該功能。

④：設置故障處理情況，一般為故障是封鎖輸出，防止過流損壞功率管，故障一般有比較器或ADC或GPIO檢測。

⑤：設定同步功能，該功能在多橋臂，即多PWM模塊協(xié)調工作時尤為重要。

3、設置相應的中斷，編寫ISR，一般用于電壓電流采樣，計算下一個周期的占空比，更改占空比，這部分也會有PI控制的功能。

4、使能PWM波形發(fā)生。

PWM信號產(chǎn)生電路

開關電源他激控制方式有脈寬調制（PWM）和脈頻調制（PFM），其中，大部分都采用PWM方式，因此，現(xiàn)簡介PWM控制原理。圖所示為PWM信號產(chǎn)生電路框圖及工作波形，其工作過程如下：對被控制電壓Uo。進行檢測所得的反饋電壓Ur加至放大器Al的同相輸入端，固定的參考電壓Uo加至A1的反相輸入端。經(jīng)A1放大后的直流誤差電壓Ue加至比較器A2的反相輸入端，由固定頻率振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波信號Usa加至A2的同相輸入端。A2輸出方波信號，其占空比隨誤差電壓而變化，即實現(xiàn)了脈寬調制。對于單管變換器，A2輸出的PWM信號即可作為控制功率晶體管的開關信號，對于推挽或橋式等功率變換電路，則應將PWM信號分為兩組信號，即分相。分相電路由觸發(fā)器及兩個“與”門組成，觸發(fā)器的時鐘信號對應于鋸齒波的下降沿。A端和B端輸出兩組相差180°的PWM信號。

（a）PWM信號產(chǎn)生電路框圖；（b）工作波形

基于PWM快速產(chǎn)生模擬電壓的方法

1、概述

在電子和自動化技術的應用中，數(shù)字信號轉換模擬控制信號輸出是電子設計中常見的問題，然而許多單片機內部并沒有集成數(shù)摸轉換器（DAC）。當然市場上也有一些專用的D/A轉換芯片，但這類芯片價格昂貴，并且需要多個處理器功能管腳來控制，這對一般的簡單應用是不適合的。

所以在有些應用中，由單片機的PWM輸出（或者通過定時器和軟件一起來實現(xiàn)PWM輸出），經(jīng)過簡單RC濾波電路實現(xiàn)DAC來得到模擬電壓是一種比較好的選擇。然后，這種方法的一個缺點就是電平轉換時間過長，本文提出了一種新的方法來克服該問題。

2、RC濾波電路

圖1是傳統(tǒng)的RC濾波電路，PSoC通過GPIO口和RC濾波產(chǎn)生模擬電壓

圖1，RC濾波電路產(chǎn)生模擬電壓

在這種方法中，PWM通過Px［y］輸出，Vout即是需要的模擬電壓。PWM的輸出在電壓VDD和0之間變換，PWM的占空比（DC）決定Vout的輸出值。增加DC輸出電壓也會跟著增加（當DC=0%時，Vout=GND;當DC=100%時，Vout=VDD）。

這種方法比較簡單，但缺點是電平轉換時間長。例如，當DC從一個值變到另一個值時，可能要幾個ms才能使Vout從一個電壓變換到最終的穩(wěn)定電壓，如圖2所示。

圖2，RC濾波電路的電平轉換時間

較長的電平轉換時間在有些應用中是不適用的，下面我將提供一個新的方法來減小該時間。當然，也可通過減小電容電阻（RC）值并提高PWM頻率來縮短電平轉換時間，但有些單片機的固有缺陷而沒辦法提高PWM頻率時就沒辦法了。

3、電壓跟隨器電路

本文介紹一種新的方法能把轉換時間減小到幾十us，該方法除了RC濾波外，還使用了電阻、三極管以及另外一個GPIO口，三極管設計為電壓跟隨器模式，如下圖3所示：

圖3，電壓跟隨器電路產(chǎn)生模擬電壓

三極管T是模擬電壓Vc到Vout的開關。在空閑狀態(tài)下設置Pa［b］為“strongdrive”模式，并置為高電平（邏輯1），這樣，Vout=VDD，下列步驟將使Vout從空閑狀態(tài)變換到指定的電壓狀態(tài)。

1）使能PWM并設定為指定的占空比DC。在計算PWN占空比時要考慮到三極管be間的壓降（Vbe）。Vc=Vout+Vbe，得出DC=（Vout+Vbe）/VDD.

2）做足夠長時間的延遲以使Vc穩(wěn)定在指定的電壓，注意在這延遲的時間內Vout保持高電平VDD。

3）設置GPIO口Pa［b］的驅動模式為“High-Zanalog”，這將導致三極管T工作狀態(tài)并且Vout將立即變?yōu)橹付ǖ淖罱K電壓（只需要幾十個微秒）。

下列步驟將使Vout從指定的電壓變換到空閑狀態(tài)（Vout=VDD）

1）設置Pa［b］的驅動模式為“strongdrive”并置該PIN為高電平，Vout將立即變?yōu)閂DD.

2）如果需要，此時可停止Px［y］口的PWM以減小功耗。

電平轉換如圖4所示，當Vc在電壓下降的非穩(wěn)態(tài)過程中，Vout還保持高電平。

圖4，電壓跟隨器電路的電平轉換時間

4、實驗和測試結果

在Cypress的CY8C20x24系列芯片中，無PWM模塊，所以若需要輸出模擬電壓就只能使用內部的TImer13模塊產(chǎn)生PWM，然后使用外圍電路產(chǎn)生模擬電壓。下面以CY8C20224芯片為例來說明兩種模擬電壓產(chǎn)生方法的測試情況。

1）使用RC電路做測試

由于CY8C20224提供的Timer13其輸入時鐘為32KHz，所以由此產(chǎn)生的PWM頻率比較低。為了減小模擬電壓值的紋波，必須提高RC電路的電阻電容值。在實驗電路中R=47K，C=0.1uF。下圖5是用示波器抓到的波形。

圖5，RC濾波電路的電平轉換波形

從上圖可以看出，當電壓從空閑狀態(tài)（VDD=3.3V）變換到穩(wěn)定電壓1.0V時，大約需要13~15ms.

這在有些應用中是不夠的。

2）采用電壓跟隨器電路測試

若采用電壓跟隨器電路，電壓從空閑狀態(tài)（VDD=3.3V）變換到穩(wěn)定電壓1.0V時，需要的時間不超過50us，如下圖6所示：

圖6，電壓跟隨器電路的電平轉換波形