脉冲宽度调制

脉冲宽度调制（PWM）或脉冲持续时间调制（PDM）是一种通过有效地将电信号切成离散部分来降低电信号传递的平均功率的方法。馈入负载的电压（和电流）的平均值通过快速打开和关闭电源和负载之间的开关来控制。与关闭时段相比，开关打开的时间越长，提供给负载的总功率就越高。与xxx功率点跟踪（MPPT）一起，它是将太阳能电池板的输出降低到可被电池利用的主要方法之一。脉冲宽度调制特别适用于运行惯性负载（例如电动机），因为它们的惯性使它们缓慢响应，因此它们不易受此离散开关的影响。脉冲宽度调制开关频率必须足够高才能不影响负载，也就是说，负载感知到的合成波形必须尽可能平滑。

电源必须切换的速率（或频率）可能会根据负载和应用情况而有很大差异。例如，必须在电炉中每分钟进行几次切换；120 赫兹在调光器中；电动机驱动器的频率在几千赫兹（kHz）至数十kHz之间；音频放大器和计算机电源的频率可达数十或数百kHz。脉冲宽度调制的主要优点是开关器件的功率损耗非常低。当开关断开时，几乎没有电流，而当开关导通且功率正在传递到负载时，开关两端几乎没有压降。因此，作为电压和电流的乘积的功率损耗在两种情况下都接近于零。脉冲宽度调制还可以与数字控件配合使用，由于它们具有开/关特性，因此可以轻松设置所需的占空比。脉冲宽度调制也已用于某些通信系统，在该系统中，其占空比已用于通过通信信道传送信息。

在电子产品中，许多现代微控制器（MCU）集成了暴露于外部引脚的脉冲宽度调制控制器，作为通过内部编程接口在固件控制下的xxx设备。这些通常用于直流（DC）电机控制中的机器人和其它应用。

脉冲宽度调制可用于控制传递给负载的功率量，而不会产生由电阻性装置线性供电所造成的损耗。该技术的缺点是负载所吸收的功率不是恒定的而是不连续的，并且传递给负载的能量也不是连续的。但是，负载可能是电感性的，并且具有足够高的频率，并在必要时使用附加的无源电子滤波器，可以平滑脉冲序列并恢复平均模拟波形。流入负载的功率可以是连续的。来自电源的功率流不是恒定的，并且在大多数情况下将需要在电源侧存储能量。

高频率的脉冲宽度调制功率控制的系统与半导体开关容易实现的。如上所述，在接通或断开状态下，开关几乎不消耗功率。但是，在导通和截止状态之间的过渡期间，电压和电流均非零，因此功率消耗在开关中。通过在完全接通和完全断开（通常小于100纳秒）之间快速改变状态，与传递给负载的功率相比，开关中的功耗可以非常低。

诸如MOSFET或绝缘栅双极晶体管（IGBT）之类的现代半导体开关非常适合用于高效控制器。用于控制交流电动机的变频器的效率可能超过98％。开关电源由于输出电压电平低（通常需要低于2 V的微处理器）而具有较低的效率，但仍可实现70-80％以上的效率。

变速计算机风扇控制器通常使用脉冲宽度调制，因为与电位计或变阻器相比，效率要高得多。

家用调光器采用特定类型的脉冲宽度调制控制。家用调光器通常包括电子电路，该电路可抑制AC线电压每个周期的定义部分期间的电流流动。调整光源发出的光的亮度仅是将调光器开始在AC半周期中的哪个电压（或相位）设置为向光源提供电流的问题（例如，通过使用电子开关，例如一个三端双向可控硅）。在这种情况下，脉冲宽度调制占空比是导通时间与半个交流周期的持续时间之比，该半个交流周期的持续时间由交流线路电压的频率（根据国家/地区为50 Hz或60 Hz）定义。

这些相当简单的类型的调光器可以有效地与惰性光源（或反应较慢的光源）一起使用，例如白炽灯，由调光器引起的所供应电能的附加调制仅会导致可忽略的附加波动。发出光。但是，某些其他类型的光源（例如发光二极管（LED））会非常快速地打开和关闭，并且如果提供低频驱动电压，则可以感知到闪烁。通过增加脉冲宽度调制频率，可以减少来自此类快速响应光源的可察觉的闪烁效应。如果光波动足够快（快于闪烁融合阈值），人类的视觉系统无法再解决这些问题，并且眼睛可以感知到时间平均强度而不会闪烁。

在电炊具中，使用称为恒温器的装置将连续可变的功率施加到诸如炉灶或烤架的加热元件上。它由一个热振荡器组成，该振荡器以每分钟大约两个周期的速度运行，并且该机制根据旋钮设置来改变占空比。加热元件的热​​时间常数为数分钟，因此温度波动过小而在实际中不重要。

脉冲宽度调制还用于高效的稳压器中。通过以适当的占空比将电压切换到负载，输出将接近所需电平的电压。开关噪声通常用电感器和电容器滤除。

一种方法是测量输出电压。当它低于所需的电压时，它会接通开关。当输出电压高于所需电压时，它将关闭开关。

SPWM（正弦三角脉宽调制）信号用于微逆变器设计（用于太阳能和风能应用）。这些开关信号被馈送到器件中使用的FET。器件的效率取决于脉冲宽度调制信号的谐波含量。关于消除不必要的谐波和提高基波强度的研究很多，其中一些涉及使用修改后的载波信号代替经典的锯齿波信号，以减少功率损耗并提高效率。机器人技术中的另一个常见应用是使用脉冲宽度调制信号通过控制电机来控制机器人的速度。

脉冲宽度调制技术通常用于使某些指示器（如LED指示灯）“软闪烁”。光线将逐渐从黑暗变为全强度，然后再次逐渐变暗为黑暗。然后重复。该时间段将是每秒几次软闪烁，最多是几秒钟的一次眨眼。这种类型的指示器不会像“硬闪烁”开/关指示器那样引起太多干扰。Apple iBook G4、PowerBook 6,7（2005）上的指示灯属于这种类型。与“闪烁”相反，这种指示器也称为“脉冲辉光”。