帶有脈寬調制的PCB設計

直到我開始為音樂工作室設計一個效果器箱時，我才被迫首先涉足脈寬調制（PWM）應用。盡管它可以在合成器中產生非常有趣的效果，但它還有許多其他用途，對于不是電子學專家的人來說可能并不明顯。

脈沖寬度調制也是控制電路和機電系統(tǒng)的核心部分。對于使用脈寬調制的各種系統(tǒng)，PCB設計人員在設計電路板時應牢記一些設計技巧。

什么是脈寬調制？

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

您可以使用555或7555定時器或微控制器來制作簡單的脈波調制發(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。您將需要調制壓敏電阻或輸入電壓，以控制脈寬調制信號的占空比。

脈寬調制應用

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

在電源領域，脈寬調制用于控制晶體管在開關調節(jié)器中的開關速率，作為調節(jié)反饋回路的一部分。脈沖寬度調制用于設置方波的占空比，此調制脈沖序列用于控制開關速率。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)和電動機中用于熱調節(jié)的風扇還使用脈寬調制來控制其轉速以及加速或減速。在使用電動機時，您的脈沖寬度調制信號應具有傾斜的上升時間，以防止電動機在驅動時發(fā)出喀噠聲。

帶有脈沖寬度調制的PCB的一些布局指南

設計用于脈沖寬度調制應用的PCB時要注意的一個重要方面涉及串擾和輻射EMI。一些設計人員認為高速電路與信號從ON切換到OFF的速率有關。如果這是正確的，則意味著隨著占空比的變化，承載脈寬調制信號的走線和分量將從高速轉換為低速。不幸的是，這是不正確的。

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

確保在整個電路板上終止走線或對阻抗進行控制，并嘗試使走線長度盡可能短，以避免在處理高頻信號和高速信號時出現(xiàn)傳輸線效應。在不可避免地使用長傳輸線的情況下，您可能希望將低電平的跡線與載有脈沖寬度調制信號的跡線屏蔽開?；蛘?，您可以在帶狀線配置的內部層中路由敏感的數(shù)字信號。另一個選擇是將敏感的數(shù)字信號作為差分對進行路由。

由于使用脈寬調制的PCB可能還包含一些模擬元件（例如，電動機和功率逆變器），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)字組件相對不受低電流模擬信號引起的信號的影響，但事實并非如此。將電路板分為數(shù)字和模擬部分只是在這些系統(tǒng)中需要實現(xiàn)的一種混合信號設計技術。

解決PWM驅動電路中的EMI

如果您使用的是電動機或開關穩(wěn)壓器，請注意傳導或輻射的EMI，這會干擾附近的走線。當電源輸出高電流時，開關電源中的調節(jié)器產生的EMI可能足以干擾附近的數(shù)字電路。用脈寬調制驅動的感應電動機會通過傳導EMI進入附近的電路而引起共模噪聲，這可能會影響您的EMC等級。

要降低輻射的EMI，需要使用諸如屏蔽，保護走線或在EMI產生系統(tǒng)周圍簡單接地的技術，以防止輻射到達數(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EMI的一種簡單方法是在干擾器設備的輸出端子之間放置一個電容器。該電容器應放置在盡可能靠近端子的位置。