一种PWM信号打散解决方案

应用笔记2023-11-07

作者：成红玉（通信作者）

摘要

脉宽调制（Pulse-Width Modulation，PWM）技术广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中，用于调压调频等。本应用指南对比传统PWM控制方式，提出了一种PWM信号打散的控制电路及控制方法，能够在不增加时钟频率的情况下提高脉冲信号的等效频率，以调和时钟频率和周期时间的矛盾，使获得高循环重复频率的脉宽调制信号。

PWM信号打散效果

脉宽调制（Pulse-Width Modulation，PWM），是占空比可变的脉冲波形，是利用数字输出来合成模拟量的一种简便有效的常见方案。广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域，也是开关电源和变频器控制输出电压的方式。传统PWM信号与打散的PWM信号对比效果示意如图 1所示。

由上图可见，PWM信号打散，即把一个周期内的高电平打散成数个较短且均匀分布的脉冲波形，并保持总的占空比不变。该PWM打散控制方式输出波形的脉冲频率明显高于传统的PWM信号，即提高了脉冲信号的循环频率。

不是在所有情况下打散都能取得一样的改善效果。例如，当PWM信号的占空比极大或极小时，打散或者不打散，PWM波形没有差别，因此打散意义不大。当PWM信号占空比为50%时，进行PWM打散效果最为理想。

PWM信号打散带来的益处

由PWM打散效果可看出，PWM信号打散后脉冲频率明显得到了提高。对于需要进行直流滤波的场合，频率越高，滤波的效果则越好。下面通过分析对比未打散的PWM信号频谱和PWM信号打散后的频谱对其进行说明。图 3是未做打散的PWM波形。

该PWM波形的周期为T，宽度τ，幅度为V，它用公式1表示如下：

其频谱可由公式2计算：

频谱如图 4所示。

打散后的PWM信号脉冲循环频率f变大，则T变小，频谱图中ω_0=2π/T，T越小，ω_0越大，即频谱图中每两根离散线条之间的距离越宽，频谱分布越分散，如图 5所示。高循环重复频率的PWM信号将频谱分量推向了高频，通过一个低通滤波器则可方便的滤除高频成分，实现PWM波形解调。

PWM信号打散后脉冲频率提高，有利的应用场景如：

电机控制中，可减少低频谐波和降低抖动；
LED控制中，提高频率可降低屏幕的闪烁感，避免引起视觉疲劳；
低时钟频率单片机没有办法合成高循环频率的PWM波形，打散可大幅提升等效频率和改善调节精度；
降低PWM合成对系统频率的依赖，降低高速单片机的平均能耗。

传统的PWM控制方式

图 6是一个典型的M位占空比输出电路。它由一个M位循环计数器、M位的数值比较器和RS触发器组成。其中，接收时钟信号CLK的M位循环计数器对时钟信号的脉冲进行计数并将计数结果输出至M位数值比较器。在计数值未达到比较器的预设值（时钟计数次数为D）时，计数器无溢出，输出置位信号到RS触发器的置位端；计数值大于等于比较器的预设值D时，计数器溢出，输出复位信号到RS触发器的复位端；RS触发器根据该置位信号和复位信号控制输出高电位时间和低电位时间的比例，生成脉宽调制信号PWM，其脉冲占空比为D/2M。PWM波形如图 7所示。

圣邦微电子提出的一种PWM信号打散实现方式

PWM打散控制电路

上述PWM信号打散的控制电路，由脉冲占空比调节模块、变频控制模块和输出模块组成。脉冲占空比调节模块包括：m位循环计数器、m位数值比较器和RS触发器；变频控制模块包括：s位循环计数器、s位数值比较器和RS触发器；输出模块包括：与门、RS触发器和或门。

这个电路中，M位的计数器和比较器被拆分为高m位和低s位。高m位不断以F/2m频率循环（其中F为时钟频率）。高位部分每次溢出触发低位部分增加一个计数，输出模块电路则根据低位脉冲占空比输出电路当时的状态决定是否在占空比输出高电位延长一个时钟周期。

PWM打散控制方法

图 8中，计数器Cs计PWMm的循环次数。一个完整周期（即2^M时间）内PWMm循环2^s次。如PWMm循环次数小于Ds，则Cs无溢出，PWM输出在PWMm有效结束后第二个时钟脉冲到来时复位；如PWMm循环次数大于等于Ds，则Cs溢出，PWM输出在PWMm有效结束后第一个时钟脉冲到来时复位。Ds决定2^s次个打散后的子PWM输出有多少个延后到第二个时钟沿复位、其余的延后到第一个时钟沿复位。在这个设计中PWM输出被打散为2^s个子PWM脉冲，子脉冲持续时间宽度仅差一个时钟周期。PWM打散控制波形如图 9所示。

对比传统PWM控制方式

传统的PWM控制电路（分辨率为M位）在2M个时间片中输出D/2M时间的高电平和(2M-D)/2M时间的低电平的循环，如图 7所示。假定这个时间片是频率F的时钟的一个周期，则上述循环的频率为F/2M。当M为10位和20位二进制数时，上述循环的频率为时钟频率F的1/1000和1/1000000。这导致要么时钟过快、要么循环频率太低，这种方式输出的频谱中低频部分较多，不方便滤除。为了减少因时钟频率和循环时间的矛盾间歇造成的输出波动，一般需要不断重复同样的高低电平比例和利用积分平滑电路或低通滤波电路处理占空比输出、取得稳定的受控的电压或电流，这无疑加大了脉宽调制信号的调制电路的复杂度和成本，同时也加剧了功耗，不利于工程实现。

对比传统PWM控制电路，PWM打散控制电路中，M位的计数器和比较器被拆分为高m位和低s位。这种拆分不会导致电路标准门数的变化，仅导致少许连线变化。相对于传统PWM控制电路（图 6），PWM打散控制电路（图 8）仅仅增加了图中深色背景的少许逻辑电路（增加的部分折合六个标准逻辑门）。这个电路中高m位和低s位的电路与图 6所示电路一致，仅减少了位数。另外，PWM打散控制电路，由于每完成一次m位循环才触发s计数器增值一次，这个电路的总循环时间仍是2^m×2^s＝2^(m+s)＝2^M次时钟周期。但是这期间分成了2^s次高位m位脉冲占空比输出循环。相对于图 6电路每2^M个周期内只输出一段时间高电平，PWM打散控制电路在2^M个周期内输出了2s组子循环的高电平，主要频率成分增加了2^s倍。

打散的过程是把PWM的持续时间分成了若干小片、是个子集化的过程，子集间只存在对应一个时钟周期的差异。差异小则对滤波的要求低，可减小滤波积分电容的容量、减少系统成本。

结语

本应用指南提供的PWM打散控制方式，将高电平、低电平的输出时间分散到更多的子时间片，在不增加时钟频率的情况下取得与高循环重复频率脉宽调制一样的效果。