脈寬調變 （PWM） 是微控制器用來透過高速開啟和關閉訊號來控制電源的方法。它用於 LED、馬達、伺服系統、音訊和電源系統。本文詳細介紹了 PWM 基礎知識、佔空比、定時器操作、模式、頻率、解析度和先進技術。
脈寬調變 （PWM） 概述
PWM 計時器是微控制器內部的內建硬體模組，可產生具有可調工作週期的數位脈衝訊號。微控制器不會依賴軟體來切換引腳，因為引腳會消耗處理能力並面臨時序抖動的風險，而是將這項工作卸載給硬體計時器。這使得它能夠保持準確性，同時釋放 CPU 來處理其他任務。其結果是高效的多工處理、減少延遲，並在馬達控制、LED 調光、音訊調製和訊號生成等實際應用中具有更好的效能。PWM 的效率和精度使其成為現代嵌入式系統的支柱，彌合了數位控制和類比行為之間的差距。
脈寬調變佔空比
波形顯示在 0V 和 5V 之間切換的重複信號。該週期標記為 10 毫秒，代表一個完整週期的時間。在此期間內，信號保持高電平 （5V） 3 毫秒，稱為脈衝寬度。然後將佔空比計算為高時間與總週期的比率，在本例中為 30%。這意味著訊號每個週期僅提供 30% 的時間。頻率也由週期得出，計算為 1 ÷ 10 ms = 100 Hz。
微控制器定時器的佔空比計算
佔空比告訴我們，與波形的整個週期相比，信號打開的總時間有多少。在微控制器中，這很重要，因為它決定了在每個週期內向設備發送多少功率。
要計算它，您可以使用一個簡單的公式：佔空比 （%） =（脈衝寬度÷週期）× 100。如果信號處於活動高電平狀態，則佔空比是信號保持高電平的時間分數。如果信號處於低電平有效狀態，則佔空比是它保持低電平的時間的分數。
脈寬調製定時器
此圖顯示了 PWM 定時器如何透過將電壓輸出連接到計數器來運作。計數器從 0 到 9 重複計數，然後重置，創建信號的週期。當計數器達到設定的匹配值（此處為 2）時，輸出變為高電平並保持高電平，直到計數器溢出，從而定義脈衝寬度。溢出點重置循環，開始新的週期。
定時器通過控制輸出何時打開（匹配）和何時重置（溢出）來確定佔空比。調整匹配值會改變高信號的寬度，直接控制 PWM 向負載提供的功率。
邊緣對齊和中心對齊 PWM 模式
邊緣對齊模式
在邊緣對齊的 PWM 中，計數器僅從零計數到設定的最大值，並且切換發生在週期的開始或結束時。這使得它易於實施且高效，因為大多數微控制器和計時器本身都支持它。由於所有切換邊沿都對齊到週期的一側，因此可能會導致電流漣波不均勻和更高的電磁干擾 （EMI）。
中心對齊（相位校正）模式
在中心對齊的 PWM 中，計數器在每個週期內向上計數，然後向下計數。這確保了開關邊緣分佈在波形中心周圍，從而產生更平衡的輸出。這種對稱性降低了諧波、電機中的扭矩漣波和電力系統中的 EMI。儘管它在頻率利用方面稍微複雜且效率較低，但它提供了更乾淨的輸出品質。
選擇正確的 PWM 頻率
• LED 調光需要高於 200 Hz 的頻率以消除可見的閃爍，而顯示器背光和高品質照明系統通常使用 20-40 kHz 來超越人類感知並最大限度地減少噪音。
• 電動機在 2–20 kHz 之間的 PWM 頻率下運作最佳，平衡開關損耗與扭矩平滑度;較低的值可提供較高的佔空比解析度，而較高的值則可降低可聽雜訊和漣波。
• 標準愛好伺服系統依賴於 50 Hz（20 ms 週期）左右的固定控制信號，其中脈衝寬度而不是頻率決定了角度位置。
• 音頻生成和數模轉換需要遠高於可聽頻譜（超過 22 kHz）的 PWM，以防止干擾並允許對信號進行乾淨的濾波。
• 在電力電子中，頻率選擇通常在效率、開關損耗、電磁干擾和特定負載的動態響應之間進行權衡。
PWM 解析度和步長
解析度（步驟）
離散佔空比等級的數量由計時器的週期計數 （N） 設定。例如，如果計數器從 0 到 1023，則會提供 1024 個不同的佔空比步長。更高的計數意味著對輸出的控制更精細。
位元深度
解析度通常以位元表示，計算為log₂（N）。1024 步數計數器對應於 10 位分辨率，而 65536 計數器對應於 16 位分辨率。這定義了工作週期的精確調整程度。
時間步長
系統時鐘決定最小增量，等於 1 ÷ fClock。更快的時脈速度允許更短的週期和更高的 PWM 頻率，同時仍保持精細的解析度。
權衡
提高解析度需要更多的定時器計數，進而降低給定時脈的最大 PWM 頻率。相反，較高的頻率會降低可用解析度。
PWM 預分頻器和週期設定範例
| 步驟 | 計算 | 結果 | 說明細節 |
|---|---|---|---|
| MCU時脈 | - | 24 兆赫 | 驅動計時器的基本頻率。 |
| 應用預分頻器 ÷8 | 24 MHz ÷ 8 | 3 兆赫 | 定時器時鐘已縮小到可管理的計數範圍。 |
| 計時器週期 | 3 MHz × 0.020 秒 | 60,000 計數 | 將自動重新載入/週期暫存器設定為 60,000 會提供 20 毫秒的幀。 |
| 每刻度解析度 | 1 ÷ 3 MHz | 0.333 微秒 | 每個計時器增量等於\~0.33微秒。 |
| 伺服脈衝控制 | 1–2 毫秒脈衝寬度 = 3000–6000 刻度 | 在 20 毫秒幀內提供平滑的角度控制。 | - |
先進的 PWM 通道技術
死區時間插入
死區時間是在半橋或全橋電路中互補晶體管開關之間插入的小型受控延遲。如果沒有它，高側和低側器件可能會同時暫時導通，從而導致稱為擊穿的短路。透過增加幾十或數百奈秒的死區時間，硬體可確保安全轉換，保護 MOSFET 或 IGBT 免受損壞。
互補輸出
互補輸出產生兩個邏輯上彼此相反的訊號。這在推挽電路、電機驅動器和逆變器級中特別有用，在這些階段，一個晶體管必須在另一個晶體管導通時精確關閉。使用互補的 PWM 對可簡化驅動器電路並確保對稱性，從而提高效率並減少失真。
同步更新
在具有多個 PWM 通道的系統中，同步更新使所有輸出能夠同時刷新。如果沒有此功能，可能會發生小的時序失配（偏斜），導致操作不均勻。在三相馬達驅動器或多相轉換器中，同步 PWM 可確保平衡、平穩性能並減少電磁幹擾。
交叉觸發
交叉觸發使計時器能夠相互交互，以便一個 PWM 事件可以啟動、重置或調整另一個計時器。此功能在高級控制系統中功能強大，允許多個信號的精確協調。應用包括級聯馬達驅動器、交錯電源轉換器和同步感測器取樣，其中通道之間的時序關係至關重要。
帶 PWM 信號的伺服運動
| 脈衝寬度 | 伺服機芯 |
|---|---|
| \~1.0 毫秒 | 完全向左轉或全速順時針旋轉 |
| \~1.5 毫秒 | 停留在中間或停止移動 |
| \~2.0 毫秒 | 完全向右轉或全速逆時針旋轉 |
結論
PWM 是讓數位系統準確且有效率地控制類比設備的主要工具。透過學習佔空比、定時器設定、頻率選擇、解析度權衡以及死區時間或伽瑪校正等先進方法，您可以設計可靠的系統。PWM 繼續支援照明、運動、音訊和電源應用中的現代電子產品。
常見問題 [FAQ]
PWM能提高電源效率嗎？
是。PWM 可切換裝置完全開啟或關閉，與類比電壓控制相比，可將熱量損失降至最低。
PWM 會產生電磁干擾 （EMI） 嗎？
是。快速開關會產生諧波，導致 EMI。中心對齊的 PWM 可降低雜訊，濾波器有助於抑制雜訊。
為什麼要使用帶有PWM的低通濾波器？
低通濾波器將方波平滑為平均直流電壓，可用於音訊、類比輸出和感測器模擬。
PWM可以控制加熱元件嗎？
是。加熱器反應緩慢，因此即使是低 PWM 頻率 （10–100 Hz） 也能提供穩定的溫度控制。
相移PWM有什麼用？
它會在通道之間轉換時序，以減少電流尖峰並平衡負載，這在多相轉換器和馬達驅動器中很常見。
微控制器如何防止PWM抖動？
它們使用雙緩衝暫存器和同步更新，因此佔空比變化在每個週期開始時都能乾淨地應用。