- 分析調節(jié)PWM轉換器最大占空比方案
- 利用斜坡電壓設置脈寬
- 調整PWM的周期、PWM的占空比
脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。PWM控制技術以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術的發(fā)展已經沒有了學科之間的界限，結合現代控制理論思想或實現無諧振軟開關技術將會成為PWM控制技術發(fā)展的主要方向之一……在電壓模式控制下，脈寬比較器利用斜坡電壓設置脈寬。此外，在電流模式控制下，斜坡電壓的一部分可以添加到電流斜坡，以增強系統的穩(wěn)定性。通常，當轉換器對斜坡電壓放電時（下降或關閉時間），將切斷電源開關。通過控制下降時間，可以調節(jié)轉換器的最大占空比。
PWM 控制器 UCC38C42產品說明書指出標準的放電電流為 8.4 mA。假設需要 200 kHz 的工作頻率，最大脈沖寬度為 75%?？梢杂嬎愠鐾ㄟ^放電晶體管的總放電量為10.5nC。該 IC 對電容器充電的方法是利用一個電阻連接參考電壓 （Vref） 與 IC 時間電容器 （Ct） 引腳。因此，在整
個切換周期內，Vref 到 Ct 引腳之間都會有電流通過。該電流大小與Ct 引腳電壓和電阻 Rt 的值相關。從產品說明書上還可以知道 Ct 引腳上的電壓將發(fā)生 1.9V 變化。盡管該變化不是完全線性的，因為 Rt 上發(fā)生的電壓變化僅為電源電壓的 40%，并將從接近地電平開始并放電至接近地電平。
隨著電子技術的發(fā)展，出現了多種PWM技術，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協調變化?？梢酝ㄟ^調整PWM的周期、PWM的占空比而達到控制充電電流的目的。
圖 1 中正斜率斜線表示電容器的充電電壓。斜線以下的區(qū)域表示 75% 循環(huán)時間內電容器的累計充電量。由于電壓呈直線下降，放電時通過電阻的電流與相應電壓在充電時通過電阻的電流保持一致。因此，放電時通過 Rt 的累計電流電量是充電時 Ct 充電電量的三分之一。
通過內部放電晶體管的總電量為放電啟動時電容器的充電電量，加上電容器放電時通過 Rt 的電流電量。總的電量是電容器的峰值電量加上電容器放電時通過電阻的電量的 1/3，也就是電容器的峰值電量的11/3，原因是放電斜坡也是一條直線。由此可看出，充電電流與放電電流非常相似。因此，由于充電占了3/4的時間，而放電占了1/4的時間，故放電時的累計電量應該是充電時的1/3。
基于這點，我們可以確定Ct的值。我們知道電容器發(fā)生的電壓變化為1.9V，我們還知道在峰值電壓時，電容器充電電量的變化為10.5nC*（3/4）= 7.875nC。因此，電容器電容為 7.875 nC/1.9 V="4".145 nF。有了電容值，我們現在就可以得到電阻值了。電壓源為5V，并根據方程：
我們根據兩個已知的電壓：V值 的變化量為1.9V和5.0V 的 Vref ，以及 3.75ms的時間，得出Rt為：
公式。結果為Rt =1.893 kΩ。在仿真器中對該分析的結果進行了測試，圖2顯示了電容器的電壓，兩條線的斜率非常接近線性。通過電阻的電流波形顯示了結果很類似的鏡像。
陡升的波形相當于對電容器的放電，而緩降的電流波形表示對電容器充電。下一步將檢查容差的影響。高低轉折點電壓變化都很小。較高的轉折點電壓會造成更長的充放電時間。同樣，較低的轉折點電壓會造成頻率上升，因為Ct電壓可以更快地到達較低電壓轉折點。
圖2仿真電壓波形
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由于容差的存在，電容值的變化與電壓轉折點的變化具有同樣作用。最大脈沖寬度與總的周期時間比例將保持同一數值。這基本上是由于充放電周期的線性特性造成的。放電電流的波動會改變電容充放電時間的比例。如果放電電流小于標準值，則放電時間將更長，但是充電時間保持不變。這會產生兩方面的影響。如果放電電流大于標準值，則出現相反情況。如果電路只有在預設的最大占空比下才能進行工作的話，則必須確保在最大放電電流時，電路依然能在安全限值內工作。所用的 Rt 也必須有容差，該阻值容差相對于放電電流的波動而言，變化并不大，推薦使用 0.1% 的阻值容差。
在該IC中，放電電流的波動范圍為7.2mA ~ 9.5mA。對電路進行設計時，要牢記電流可以達到最大值，并且至關重要地是占空比不能超過75%的限值。最這將使Ct變?yōu)?.688nF，電阻變?yōu)?.631 kΩ。
很自然，若放電電流為另一極限值7.2 mA，則最大占空比將小于預期的75%，頻率也將比預期的200kHz低。我們可以在最小放電電流時求出最大占空比。由這就是說，較低放電電流時的最大占空比是67%，并且頻率將減小為178.7kHz。電路仿真的結果參見圖3。
接下來電路設計人員必須參照說明書，確定Ct和Rt的變化是否在IC的工作范圍內。他還必須驗證頻率的波動范圍是1.8kHz ~ 200kHz，并且應用中最大占空比是從低頻率時的67% ~ 200kHz時的75%。
如果電路必須工作于200kHz或更高頻率，則應在接地與Ct電容器之間施加一個電壓脈沖，其保持時間比下降時間短，使電路同步。如果電路在178kHz與67%占空比時是自由運行的，則通過同步，電路也將在200kHz工作。但是它仍然有67%的最大占空比，只是斜坡電壓波的波幅減少了。
用精確值Ct=4.31 nF、Rt=1.8kΩ構建一塊試驗電路板進行測量。計算所得的頻率為192kHz，與實際測量值一致。占空比略微有些不同，約為 77%，這可能是因為測量誤差。分析、仿真以及實際的測量均顯示了良好的一致性。
PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或將邏輯0改變?yōu)檫壿?時，也才能對數字信號產生影響。
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