作者：成紅玉（通信作者）

摘要 

脈寬調制（Pulse-Width Modulation，PWM）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，用于調壓調頻等。本應用指南對比傳統PWM控制方式，提出了一種PWM信號打散的控制電路及控制方法，能夠在不增加時鐘頻率的情況下提高脈沖信號的等效頻率，以調和時鐘頻率和周期時間的矛盾，使獲得高循環重復頻率的脈寬調制信號。

PWM信號打散效果 

脈寬調制（Pulse-Width Modulation，PWM），是占空比可變的脈沖波形，是利用數字輸出來合成模擬量的一種簡便有效的常見方案。廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域，也是開關電源和變頻器控制輸出電壓的方式。 傳統PWM信號與打散的PWM信號對比效果示意如圖 1所示。

由上圖可見，PWM信號打散，即把一個周期內的高電平打散成數個較短且均勻分布的脈沖波形，并保持總的占空比不變。該PWM打散控制方式輸出波形的脈沖頻率明顯高于傳統的PWM信號，即提高了脈沖信號的循環頻率。

不是在所有情況下打散都能取得一樣的改善效果。例如，當PWM信號的占空比極大或極小時，打散或者不打散，PWM波形沒有差別，因此打散意義不大。當PWM信號占空比為50%時，進行PWM打散效果最為理想。

PWM信號打散帶來的益處 

由PWM打散效果可看出，PWM信號打散后脈沖頻率明顯得到了提高。對于需要進行直流濾波的場合，頻率越高，濾波的效果則越好。下面通過分析對比未打散的PWM信號頻譜和PWM信號打散后的頻譜對其進行說明。圖 3是未做打散的PWM波形。

該PWM波形的周期為T，寬度τ，幅度為V，它用公式1表示如下：

其頻譜可由公式2計算：

頻譜如圖 4所示。

打散后的PWM信號脈沖循環頻率f變大，則T變小，頻譜圖中ω_0=2π/T，T越小，ω_0越大，即頻譜圖中每兩根離散線條之間的距離越寬，頻譜分布越分散，如圖 5所示。高循環重復頻率的PWM信號將頻譜分量推向了高頻，通過一個低通濾波器則可方便的濾除高頻成分，實現PWM波形解調。

PWM信號打散后脈沖頻率提高，有利的應用場景如： 

• 電機控制中，可減少低頻諧波和降低抖動；
• LED控制中，提高頻率可降低屏幕的閃爍感，避免引起視覺疲勞； 
• 低時鐘頻率單片機沒有辦法合成高循環頻率的PWM波形，打散可大幅提升等效頻率和改善調節精度； 
• 降低PWM合成對系統頻率的依賴，降低高速單片機的平均能耗。

傳統的PWM控制方式

圖 6是一個典型的M位占空比輸出電路。它由一個M位循環計數器、M位的數值比較器和RS觸發器組成。其中，接收時鐘信號CLK的M位循環計數器對時鐘信號的脈沖進行計數并將計數結果輸出至M位數值比較器。在計數值未達到比較器的預設值（時鐘計數次數為D）時，計數器無溢出，輸出置位信號到RS觸發器的置位端；計數值大于等于比較器的預設值D時，計數器溢出，輸出復位信號到RS觸發器的復位端；RS觸發器根據該置位信號和復位信號控制輸出高電位時間和低電位時間的比例，生成脈寬調制信號PWM，其脈沖占空比為D/2M。PWM波形如圖 7所示。

圣邦微電子提出的一種PWM信號打散實現方式

PWM打散控制電路

上述PWM信號打散的控制電路，由脈沖占空比調節模塊、變頻控制模塊和輸出模塊組成。脈沖占空比調節模塊包括：m位循環計數器、m位數值比較器和RS觸發器；變頻控制模塊包括：s位循環計數器、s位數值比較器和RS觸發器；輸出模塊包括：與門、RS觸發器和或門。

這個電路中，M位的計數器和比較器被拆分為高m位和低s位。高m位不斷以F/2m頻率循環（其中F為時鐘頻率）。高位部分每次溢出觸發低位部分增加一個計數，輸出模塊電路則根據低位脈沖占空比輸出電路當時的狀態決定是否在占空比輸出高電位延長一個時鐘周期。

PWM打散控制方法

圖 8中，計數器Cs計PWMm的循環次數。一個完整周期（即2^M時間）內PWMm循環2^s次。如PWMm循環次數小于Ds，則Cs無溢出，PWM輸出在PWMm有效結束后第二個時鐘脈沖到來時復位；如PWMm循環次數大于等于Ds，則Cs溢出，PWM輸出在PWMm有效結束后第一個時鐘脈沖到來時復位。Ds決定2^s次個打散后的子PWM輸出有多少個延后到第二個時鐘沿復位、其余的延后到第一個時鐘沿復位。在這個設計中PWM輸出被打散為2^s個子PWM脈沖，子脈沖持續時間寬度僅差一個時鐘周期。PWM打散控制波形如圖 9所示。

對比傳統PWM控制方式

傳統的PWM控制電路（分辨率為M位）在2M個時間片中輸出D/2M時間的高電平和(2M-D)/2M時間的低電平的循環，如圖 7所示。假定這個時間片是頻率F的時鐘的一個周期，則上述循環的頻率為F/2M。當M為10位和20位二進制數時，上述循環的頻率為時鐘頻率F的1/1000和1/1000000。這導致要么時鐘過快、要么循環頻率太低，這種方式輸出的頻譜中低頻部分較多，不方便濾除。為了減少因時鐘頻率和循環時間的矛盾間歇造成的輸出波動，一般需要不斷重復同樣的高低電平比例和利用積分平滑電路或低通濾波電路處理占空比輸出、取得穩定的受控的電壓或電流，這無疑加大了脈寬調制信號的調制電路的復雜度和成本，同時也加劇了功耗，不利于工程實現。 

對比傳統PWM控制電路，PWM打散控制電路中，M位的計數器和比較器被拆分為高m位和低s位。這種拆分不會導致電路標準門數的變化，僅導致少許連線變化。相對于傳統PWM控制電路（圖 6），PWM打散控制電路（圖 8）僅僅增加了圖中深色背景的少許邏輯電路（增加的部分折合六個標準邏輯門）。這個電路中高m位和低s位的電路與圖 6所示電路一致，僅減少了位數。另外，PWM打散控制電路，由于每完成一次m位循環才觸發s計數器增值一次，這個電路的總循環時間仍是2^m×2^s＝2^(m+s)＝2^M次時鐘周期。但是這期間分成了2^s次高位m位脈沖占空比輸出循環。相對于圖 6電路每2^M個周期內只輸出一段時間高電平，PWM打散控制電路在2^M個周期內輸出了2s組子循環的高電平，主要頻率成分增加了2^s倍。

打散的過程是把PWM的持續時間分成了若干小片、是個子集化的過程，子集間只存在對應一個時鐘周期的差異。差異小則對濾波的要求低，可減小濾波積分電容的容量、減少系統成本。

結語 

本應用指南提供的PWM打散控制方式，將高電平、低電平的輸出時間分散到更多的子時間片，在不增加時鐘頻率的情況下取得與高循環重復頻率脈寬調制一樣的效果。