脉宽调制 （PWM） 是微控制器通过高速打开和关闭信号来控制电源的方法。它用于 LED、电机、伺服系统、音频和电源系统。本文详细介绍了PWM基础知识、占空比、定时器作、模式、频率、分辨率和高级技术。
脉宽调制 （PWM） 概述
PWM定时器是微控制器内部的内置硬件模块，可生成占空比可调的数字脉冲信号。微控制器不依赖软件来切换引脚，这会消耗处理能力并存在时序抖动的风险，而是将这项工作卸载到硬件定时器上。这使其能够保持准确性，同时释放 CPU 来处理其他任务。其结果是高效的多任务处理、减少延迟并在电机控制、LED 调光、音频调制和信号生成等实际应用中获得更好的性能。PWM 的效率和精度使其成为现代嵌入式系统的支柱，弥合了数字控制和模拟行为之间的差距。
脉宽调制占空比
波形显示在 0V 和 5V 之间切换的重复信号。该周期标记为 10 毫秒，表示一个完整周期的时间。在此期间，信号保持高电平 （5V） 3 ms，称为脉冲宽度。然后将占空比计算为高时间与总周期的比率，在本例中为 30%。这意味着信号每个周期仅提供 30% 的时间。频率也从周期推导出来，计算为 1 ÷ 10 ms = 100 Hz。
微控制器定时器的占空比计算
占空比告诉我们，与波形的整个周期相比，信号打开的总时间有多少。在微控制器中，这很重要，因为它决定了在每个周期内向设备发送多少功率。
要计算它，您可以使用一个简单的公式：占空比 （%） =（脉冲宽度÷周期）× 100。如果信号处于活动高电平状态，则占空比是信号保持高电平的时间的分数。如果信号处于低电平有效状态，则占空比是它保持低电平的时间的分数。
脉宽调制定时器
下图显示了PWM定时器如何通过将电压输出连接到计数器来工作。计数器从 0 到 9 反复计数，然后重置，创建信号的周期。当计数器达到设定的匹配值（此处为2）时，输出变为高电平并保持高电平，直到计数器溢出，从而定义脉冲宽度。溢出点重置循环，开始新的周期。
定时器通过控制输出何时打开（匹配）和何时复位（溢出）来确定占空比。调整匹配值会改变高信号的宽度，直接控制PWM向负载提供的功率。
边对齐和中心对齐 PWM 模式
边缘对齐模式
在边沿对齐的PWM中，计数器仅从零到设定的最大值计数，并且开关发生在周期的开始或结束时。这使得它易于实现且高效，因为大多数微控制器和定时器本身都支持它。由于所有开关边沿都对齐到周期的一侧，因此可能导致电流纹波不均匀和更高的电磁干扰 （EMI）。
中心对齐（相位校正）模式
在中心对齐的 PWM 中，计数器在每个周期内向上计数，然后向下计数。这确保了开关边沿分布在波形中心周围，从而产生更平衡的输出。这种对称性减少了谐波、电机中的转矩纹波和电力系统中的 EMI。尽管它在频率利用率方面稍微复杂一些且效率较低，但它提供了更干净的输出质量。
选择正确的 PWM 频率
• LED 调光需要高于 200 Hz 的频率以消除可见的闪烁，而显示器背光和高质量照明系统通常使用 20-40 kHz 来保持人类感知之外并最大限度地减少噪音。
• 电动机在 2–20 kHz 之间的 PWM 频率下运行最佳，平衡开关损耗和转矩平稳度;较低的值可提供较高的占空比分辨率，而较高的值可降低可听噪声和纹波。
• 标准爱好舵机依赖于 50 Hz（20 ms 周期）左右的固定控制信号，其中脉冲宽度而不是频率决定了角度位置。
• 音频生成和数模转换需要远高于可听频谱（超过 22 kHz）的 PWM，以防止干扰并允许对信号进行干净的滤波。
• 在电力电子学中，频率选择通常在效率、开关损耗、电磁干扰和特定负载的动态响应之间进行权衡。
PWM 分辨率和步长
分辨率（步骤）
离散占空比电平的数量由定时器的周期计数 （N） 设置。例如，如果计数器从 0 到 1023，则给出了 1024 个不同的占空比步长。计数越高意味着对输出的控制越精细。
位深度
分辨率通常以位表示，计算为 log₂（N）。1024 步计数器对应于 10 位分辨率，而 65536 计数器对应于 16 位分辨率。这定义了占空比的精确调整程度。
时间步长
系统时钟确定最小增量，等于 1 ÷ fClock。更快的时钟速度允许更短的周期和更高的 PWM 频率，同时仍保持精细的分辨率。
权衡
提高分辨率需要更多的定时器计数，这反过来又会降低给定时钟的最大PWM频率。相反，较高的频率会降低可用分辨率。
PWM预分频器和周期设置示例
| 步骤 | 计算 | 结果 | 说明细节 |
|---|---|---|---|
| MCU时钟 | - | 24兆赫 | 驱动定时器的基本频率。 |
| 应用预分频器 ÷8 | 24 兆赫 ÷ 8 | 3兆赫 | 定时器时钟已缩小到可管理的计数范围。 |
| 计时器周期 | 3 MHz × 0.020 秒 | 60,000 计数 | 将自动重新加载/周期寄存器设置为 60,000 将提供 20 毫秒的帧。 |
| 每更新分辨率 | 1 ÷ 3 MHz | 0.333 微秒 | 每个定时器增量等于\~0.33微秒。 |
| 伺服脉冲控制 | 1–2 ms 脉冲宽度 = 3000–6000 刻度 | 在 20 毫秒帧内提供平滑的角度控制。 | - |
先进的 PWM 通道技术
死区时间插入
死区时间是在半桥或全桥电路中互补晶体管的开关之间插入的小型受控延迟。没有它，高侧和低侧器件可能会同时瞬间导通，从而导致短路，称为击穿。通过增加几十或几百纳秒的死区时间，硬件可确保安全转换，保护 MOSFET 或 IGBT 免受损坏。
互补输出
互补输出产生两个逻辑上彼此相反的信号。这在推挽电路、电机驱动器和逆变器级中特别有用，在这些阶段，一个晶体管必须在另一个晶体管打开时精确关闭。使用互补的PWM对简化了驱动电路并确保对称性，提高了效率并减少了失真。
同步更新
在具有多个PWM通道的系统中，同步更新使所有输出能够同时刷新。如果没有此功能，可能会发生小的时序失配（偏斜），从而导致运行不均匀。在三相电机驱动器或多相转换器中，同步 PWM 可确保平衡、平稳的性能并减少电磁干扰。
交叉触发
交叉触发使定时器能够相互交互，以便一个PWM事件可以启动、复位或调整另一个定时器。此功能在高级控制系统中功能强大，允许多个信号的精确协调。应用包括级联电机驱动器、交错电源转换器和同步传感器采样，其中通道之间的时序关系至关重要。
带 PWM 信号的伺服运动
| 脉冲宽度 | 伺服运动 |
|---|---|
| \~1.0 毫秒 | 完全向左转或全速顺时针旋转 |
| \~1.5 毫秒 | 停留在中间或停止移动 |
| \~2.0 毫秒 | 完全向右转或全速逆时针旋转 |
结论
PWM 是让数字系统准确高效地控制模拟设备的主要工具。通过学习占空比、定时器设置、频率选择、分辨率权衡以及死区时间或伽马校正等高级方法，您可以设计可靠的系统。PWM 继续支持照明、运动、音频和电源应用中的现代电子产品。
常见问题 [FAQ]
PWM能提高能效吗？
是的。PWM 可完全打开或关闭设备，与模拟电压控制相比，最大限度地减少热损失。
PWM 会产生电磁干扰 （EMI） 吗？
是的。快速开关会产生导致 EMI 的谐波。中心对齐的 PWM 减少了噪音，滤波器有助于抑制噪声。
为什么要将低通滤波器与PWM一起使用？
低通滤波器将方波平滑为平均直流电压，可用于音频、模拟输出和传感器仿真。
PWM可以控制加热元件吗？
是的。加热器响应缓慢，因此即使是低 PWM 频率 （10–100 Hz） 也能提供稳定的温度控制。
相移PWM有什么用？
它在通道之间切换时序，以减少电流尖峰并平衡负载，这在多相转换器和电机驱动器中很常见。
微控制器如何防止PWM抖动？
它们使用双缓冲寄存器和同步更新，因此占空比更改在每个周期开始时都干净地应用。