脉宽调制 (PWM)：原理、应用与设计洞察

脉宽调制 (PWM) 利用精准数字波形调节功率传递，以低硬件成本实现模拟信号控制。

线性电源中发热是主要缺陷，因可变电阻须持续承载大电流。数字开关器件则仅在开关瞬间耗散大部分功率。遵循基本功率方程：

P = V × I — 电压或电流任一接近零时功耗极小。PWM 利用此特性让晶体管大部分周期全开或全关，降低平均功耗和发热。

因 PWM 波形可自由调制，无需连续数据采集（高端控制器除外），表现得像模拟控制系统却保留数字简洁性。

占空比定义信号在一个周期内保持高电平的时间比例。50% 占空比为常规“平衡”情况，PWM 允许 0%（全关）至 100%（全开）任意值。下图展示同频率下 10%、50%、90% 占空比，频率亦可独立变化。

脉宽调制 (PWM)：原理、应用与设计洞察

电阻等负载自然积分平均功率与占空比成正比。LED 电流-光非线性但对 PWM 线性响应，实现精准亮度控制。电机亦受益于 PWM 响应性调速。

生成 PWM 常用方法为比较锯齿（或三角）波与参考电平。斜率线性度和频率（作为采样率）对精准占空比控制至关重要。

脉宽调制 (PWM)：原理、应用与设计洞察

无需计算时 PWM 可极高速运行，主要受限比较器带宽。许多单片机内置专用 PWM 模块支持即时信号生成。

PWM 是 D 类音频放大器核心。提高输出电压并选超人耳听觉范围开关频率（典型 44 kHz），放大器复现音频波形而扬声器仅响应低频分量。更高开关率（如 100 kHz）进一步提保真度。

脉宽调制 (PWM)：原理、应用与设计洞察

电机调速是另一主导用例。PWM 能高效调节大电流电机，尤其低转速 (RPM) 下线性电压缩放会浪费功率。

配合 H 桥配置，PWM 通过在负载两侧切换电源有效将负载两端电压加倍。感性负载如电机需续流二极管抑制可能损坏晶体管的电压尖峰。固有电感也滤除高频 PWM 分量。

但栅极驱动时序必须精心设计避免“直通”，即上下桥臂晶体管同时导通导致电源过载。专用驱动 IC 提供必要死区防止此工况。

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SMPS 设计常用 PWM，虽存在其他调制方案。通过在关断周期电感电容储能，最优拓扑下效率可超 90%。

脉宽调制 (PWM)：原理、应用与设计洞察

例：90% 效率 SMPS 将 12 VDC 转 5 VDC 10 A，输入侧约抽 4.6 A（12 V × 4.6 A ≈ 55 W）。剩余 5 W 表现为极少热量，调温比线性稳压器低，代价是略高噪声。

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