脈寬調變
/ P-W-M /
脈寬調變是一種巧妙的方法,用一個「只會完全導通或完全關閉」的開關,來輸送平滑可調的功率。與其用半開的閥門節流(那會把能量浪費成熱),你把閥門非常快速地完全打開、完全關上,靠改變「打開的時間比例」來控制平均量。要把 LED 調暗,就讓它以快過肉眼能察覺的速度閃爍,大部分時間亮就是亮、大部分時間滅就是暗,你會感知到介於其間的穩定亮度。
具體地說,PWM 是一個固定頻率的方波,你改變它的工作週期來編碼一個控制值。送出的平均電壓是工作週期乘以電源,所以 0% 給出 0、100% 給出全功率,中間的一切按比例。負載本身或一個簡單的低通濾波器,會把切碎的波平滑成那個平均值:馬達的慣性、以快過肉眼的速度驅動的 LED、加熱器的熱質量,或一個 RC 濾波器,都能做平滑。微控制器產生 PWM 輕而易舉;接成無穩態並加控制電壓的 555 也行。把頻率選得夠高讓負載能平滑,但別高到切換損耗堆積起來。
凡是必須有效率地控制功率的地方都有 PWM:馬達轉速、LED 調光與背光、交換式電源、D 類音訊放大器,以及伺服馬達定位(那裡是脈衝寬度本身攜帶命令)。它之所以稱霸是因為效率:因為開關始終完全導通(其上電壓低)或完全關閉(無電流通過),耗散極少,不像線性控制把差額燒成熱。誠實的提醒:PWM 把電流切得很陡,會產生需要濾波與謹慎佈局的電氣雜訊(EMI),而 PWM 頻率太低會被聽成惱人的嘯叫或被看成閃爍。
要把 LED 調暗,用 1 kHz 的 PWM 訊號驅動它。在 80% 工作週期,每個 1 毫秒週期裡它亮 0.8 毫秒、暗 0.2 毫秒;遠快過肉眼,所以你看到約 80% 的亮度,而驅動電晶體保持涼爽,因為它始終完全導通或完全關閉。
藉由改變快速開關的導通比例來控制平均功率,而非節流浪費成熱。
PWM 之所以有效率,正因為開關從不逗留在它耗損的中間區;但陡峭的切換邊緣會輻射 EMI,需要良好的去耦與佈局。PWM 頻率太低會變成可聽的嘯叫或可見的閃爍,所以要刻意選擇頻率。