直到我開始為音樂工作室設(shè)計(jì)一個(gè)效果器箱時(shí)，我才被迫首先涉足脈寬調(diào)制（PWM）應(yīng)用。盡管它可以在合成器中產(chǎn)生非常有趣的效果，但它還有許多其他用途，對(duì)于不是電子學(xué)專家的人來說可能并不明顯。

脈沖寬度調(diào)制也是控制電路和機(jī)電系統(tǒng)的核心部分。對(duì)于使用脈寬調(diào)制的各種系統(tǒng)，PCB設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電路板時(shí)應(yīng)牢記一些設(shè)計(jì)技巧。

什么是脈寬調(diào)制？

術(shù)語脈沖寬度調(diào)制是指一種用于在保持總脈沖周期恒定的同時(shí)調(diào)整脈沖序列中數(shù)字脈沖的ON時(shí)間的方法。換句話說，調(diào)節(jié)脈沖序列中脈沖的接通時(shí)間，同時(shí)接通時(shí)間和斷開時(shí)間之和保持不變。隨著開啟時(shí)間的增加，關(guān)閉時(shí)間必須減少相同的數(shù)量，反之亦然。接通時(shí)間與接通時(shí)間與斷開時(shí)間之和的比率稱為占空比。

您可以使用555或7555定時(shí)器或微控制器來制作簡(jiǎn)單的脈波調(diào)制發(fā)生器。您也可以使用不穩(wěn)定的多諧振蕩器或三角波發(fā)生器和比較器來生成PWM信號(hào)。您將需要調(diào)制壓敏電阻或輸入電壓，以控制脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比。

脈寬調(diào)制應(yīng)用

具有脈沖寬度調(diào)制功能的一系列脈沖已在許多控制應(yīng)用中使用。功率電子和機(jī)電系統(tǒng)有兩個(gè)廣闊的脈寬調(diào)制應(yīng)用領(lǐng)域。脈沖寬度調(diào)制還用于電信中以傳輸串行數(shù)據(jù)，以及用于D類音頻放大器和減法合成器。

在電源領(lǐng)域，脈寬調(diào)制用于控制晶體管在開關(guān)調(diào)節(jié)器中的開關(guān)速率，作為調(diào)節(jié)反饋回路的一部分。脈沖寬度調(diào)制用于設(shè)置方波的占空比，此調(diào)制脈沖序列用于控制開關(guān)速率。這將使電源的輸出電壓升壓（升壓模式）或降壓（降壓模式）。

電子系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)中用于熱調(diào)節(jié)的風(fēng)扇還使用脈寬調(diào)制來控制其轉(zhuǎn)速以及加速或減速。在使用電動(dòng)機(jī)時(shí)，您的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)應(yīng)具有傾斜的上升時(shí)間，以防止電動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)時(shí)發(fā)出喀噠聲。

帶有脈沖寬度調(diào)制的PCB的一些布局指南

設(shè)計(jì)用于脈沖寬度調(diào)制應(yīng)用的PCB時(shí)要注意的一個(gè)重要方面涉及串?dāng)_和輻射EMI。一些設(shè)計(jì)人員認(rèn)為高速電路與信號(hào)從ON切換到OFF的速率有關(guān)。如果這是正確的，則意味著隨著占空比的變化，承載脈寬調(diào)制信號(hào)的走線和分量將從高速轉(zhuǎn)換為低速。不幸的是，這是不正確的。

高速數(shù)字信號(hào)是根據(jù)信號(hào)的上升時(shí)間而不是信號(hào)保持在ON或OFF狀態(tài)的時(shí)間量來分類的。脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的上升時(shí)間不隨占空比變化，而是取決于系統(tǒng)中使用的邏輯系列。TTL邏輯系列被廣泛認(rèn)為是高速信號(hào)系列，因此在布局電路板時(shí)，您需要牢記高速設(shè)計(jì)規(guī)則。

確保在整個(gè)電路板上終止走線或?qū)ψ杩惯M(jìn)行控制，并嘗試使走線長(zhǎng)度盡可能短，以避免在處理高頻信號(hào)和高速信號(hào)時(shí)出現(xiàn)傳輸線效應(yīng)。在不可避免地使用長(zhǎng)傳輸線的情況下，您可能希望將低電平的跡線與載有脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的跡線屏蔽開。或者，您可以在帶狀線配置的內(nèi)部層中路由敏感的數(shù)字信號(hào)。另一個(gè)選擇是將敏感的數(shù)字信號(hào)作為差分對(duì)進(jìn)行路由。

由于使用脈寬調(diào)制的PCB可能還包含一些模擬元件（例如，電動(dòng)機(jī)和功率逆變器），因此將模擬和數(shù)字組件分離到電路板的不同部分非常重要。數(shù)字組件相對(duì)不受低電流模擬信號(hào)引起的信號(hào)的影響，但事實(shí)并非如此。將電路板分為數(shù)字和模擬部分只是在這些系統(tǒng)中需要實(shí)現(xiàn)的一種混合信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)。

解決PWM驅(qū)動(dòng)電路中的EMI

如果您使用的是電動(dòng)機(jī)或開關(guān)穩(wěn)壓器，請(qǐng)注意傳導(dǎo)或輻射的EMI，這會(huì)干擾附近的走線。當(dāng)電源輸出高電流時(shí)，開關(guān)電源中的調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的EMI可能足以干擾附近的數(shù)字電路。用脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)會(huì)通過傳導(dǎo)EMI進(jìn)入附近的電路而引起共模噪聲，這可能會(huì)影響您的EMC等級(jí)。

要降低輻射的EMI，需要使用諸如屏蔽，保護(hù)走線或在EMI產(chǎn)生系統(tǒng)周圍簡(jiǎn)單接地的技術(shù)，以防止輻射到達(dá)數(shù)字走線。也可以使用接地層而不是屏蔽罐來屏蔽輻射EMI源附近的走線。降低傳導(dǎo)EMI的一種簡(jiǎn)單方法是在干擾器設(shè)備的輸出端子之間放置一個(gè)電容器。該電容器應(yīng)放置在盡可能靠近端子的位置。