脉宽调制技术在电子领域的作用

脉宽调制 (PWM) 是一种功率控制技术，通过以固定频率快速开关电子信号来调节其有效输出。通过调节“导通”时间与总周期的比例，数字信号源可以仿真不断变化的模拟电压水平，从而控制向负载提供的平均能量。

更广义地说，调制技术是指通过改变电波形或将信息编码后载入电波形，以影响电路或系统的行为。在实际电子产品中，这意味着对信号进行整形，使其能够传输数据或管理到达器件的电压或电流的大小。这一原理已广泛应用于电机驱动、照明调光、音频系统以及电源转换或电池充电电路。

虽然 PWM、调幅 (AM) 和调频 (FM) 是控制信号感知幅度或频率的主要策略，但本文将专门讨论 PWM。

PWM 基础知识 - 占空比和开关频率

如前所述，PWM 通过调节输送到负载的有效电压和电流来形成波形。这是通过快速驱动开关器件（通常是晶体管）在全开和全关状态之间切换来实现的。通过改变开关器件在每个状态下的维持时间，系统会通过高电平和低电平间隔的相对持续时间对信息进行编码。

实际上，PWM 通过改变器件在每个开关周期中获得全电源电压的时间来限制其净电功率。增加“导通时间"会提高平均输出电压，而减少“导通时间”则会降低负载的有效电压水平。可用两个两个主要参数来描述这种行为：占空比和开关频率。

占空比表示一个完整波形周期内，信号处于有效或高电平状态的时间占比。该比例通常用百分比 (%) 表示，说明每个周期内有多长时间输出保持开启（有效）状态。例如，如果数字波形高电平保持 3 毫秒，低电平保持 1 毫秒，则总周期为 4 毫秒，占空比为 75%，相应的开关频率为 250 Hz。

由于占空比直接决定了每个脉冲通电部分的持续时间，因此修改占空比可以在不改变实际电源电压的情况下，通过改变高电平时间与低电平时间的比例，来控制输送到负载的有效功率。在许多系统中，电压和频率是固定参数，占空比是主要的可调控制变量。在 PWM 驱动的加热元件等应用中，监测占空比也可作为判断系统提供预期功率水平的可靠指标。

开关频率描述了一个事件在给定时间段内重复发生的次数。在这里，是指驱动 PWM 信号的开关器件每秒进行的“导通-断开“的次数。该频率以赫兹 (Hz) 为单位，表示功率级在整个工作周期内的循环速度。

要确保负载的预期性能，必须选择合适的 PWM 开关频率。如果为具体应用设置的频率过高，诸如如继电器或某些类型的执行器等机械部件可能无法达到快速切换的速度，从而过早出现故障。反之，过低的开关频率可能会带来不利影响，如噪音、振动或受控器件不稳定。例如，虽然相对较低的频率对于驱动电机来说是可以接受的，但诸如 LED 等固态负载通常需显著要更高的开关频率才能平稳无闪烁地工作。

PWM 的优缺点

PWM 的主要优点是效率极高，这主要是因为开关器件的功率耗散极小。当开关断开时，几乎没有电流通过，而当开关完全导通时，器件上的压降很小。与线性控制方法相比，这大大降低了传导和开关损耗。PWM 的优势还包括：

• 由于采用全导通/全断开工作模式，热耗散 低于线性稳压器
• 与数字逻辑无缝集成，因其控制信号本身就是二进制信号
• 在调节电机、照明或电源转换器时，具有更高的总体能效
• 只需调节占空比，即可精确地控制 有效电压或电流
• 可简化电路，通常只需很少的模拟元件或反馈回路
• 广泛适用于 从电源到致动器等许多电子系统

虽然 PWM 是一种多用途、高效率技术，但也会带来一些工程挑战。其主要缺点包括：

• 超高工作频率下 开关损耗增加
• 可能会出现电压过冲或瞬态
• 产生 可能需要滤波的电磁干扰 (EMI) 和谐波
• 大功率系统 具有更高的设计复杂性，对开关元件和布局的要求也更高

实际的开关频率和占空比

由于 PWM 性能由占空比和开关频率决定，因此必须根据目标负载的电气和机械特性来选择每个参数。以下产品应用实例（全部由 Same Sky 提供支持）说明了这些值在不同类型器件中的典型差异。以下是对一些电子元器件的建议：

• 风扇：大多数冷却风扇的 PWM 频率在 20 kHz 至 25 kHz 范围内，配合 0% 至 100% 占空比窗口，可实现从完全关闭到最大气流的速度调节，以获得最佳运行效果。更高的开关频率有助于消除声音啸叫，并产生更平滑的旋转。制造商通常会指定首选 PWM 参数，以确保适当的启动性能、速度稳定性和声学效果。Same Sky 供应多种 AC 和 DC 风扇硬件。
• 蜂鸣器：对于压电或磁性蜂鸣器，PWM 频率通常在 1 kHz 至 10 kHz 之间，与人类可听频谱（20 Hz 至 20 kHz）一致。改变占空比可调节声音强度，但占空比为 50% 时，通常能产生强而有力的输出，且失真极小。由于许多蜂鸣器的谐振频率很窄，因此必须查阅数据手册。Same Sky 提供种类繁多的蜂鸣器。

图 1：即使频率相同，以 ~15% 占空比驱动的蜂鸣器产生的音调也明显比以 50% 占空比驱动时更低。(图片来源：Same Sky）

• 超声波传感器：超声波传感器通常使用 20 kHz 至 400 kHz 范围内的 PWM 频率，占空比通常为 50% ，以产生干净、对称的超声波脉冲。测量值的精确程度在很大程度上取决于传感器的具体设计，因此应始终遵循制造商的指导原则。Same Sky 提供完整的超声波检测器件组合。

   

• 珀尔帖器件：使用 PWM 控制热电模块时，通常建议开关频率在 300 Hz 至 3 kHz 之间。通过占空比调节可确定制冷或制热输出，以使精确的热调节成为可能。同样，数据手册中的建议对于实现模块的长期可靠性至关重要。Same Sky 提供各种珀尔帖器件，包括单级、多级和集成冷却组件。

结语

调制是指通过受控信号的整形来改变或控制器件或系统的行为。具体来说，PWM 是一种高效的技术，可用于调节众多电子应用中的功率传输。通过改变数字波形的占空比，PWM 可提供精确的模拟式控制，同时保持低功耗，因此成为从电机驱动到照明、检测和热管理系统的首选方法。