在電子工程中，脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)是一項(xiàng)常見(jiàn)的微機(jī)控制技術(shù)，常用于控制電機(jī)、LED亮度等多種領(lǐng)域，然而在實(shí)際使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇見(jiàn)“死區(qū)(Bad Time)”現(xiàn)象，它是什么?如何產(chǎn)生?

1、PWM“死區(qū)”是什么?

“死區(qū)”是指在PWM信號(hào)的切換過(guò)程中，由于電子元件的響應(yīng)時(shí)間和延遲過(guò)程中導(dǎo)致上一通道關(guān)閉與下一通道開(kāi)啟之間存在的時(shí)間間隔，也就是兩個(gè)通道同時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)間段，在那段時(shí)間，PWM信號(hào)輸出將暫時(shí)中斷，導(dǎo)致電路工作不穩(wěn)定，甚至有可能損壞元件。

2、PWM“死區(qū)”為什么會(huì)產(chǎn)生?

一般來(lái)說(shuō)，PWM“死區(qū)”問(wèn)題主要來(lái)自晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管等開(kāi)關(guān)元件的響應(yīng)特性，當(dāng)一個(gè)通道的開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，另一個(gè)通道需要一定的時(shí)間來(lái)響應(yīng)并切換，這個(gè)響應(yīng)時(shí)間就產(chǎn)生了“死區(qū)”。

PWM是脈寬調(diào)制，在電力電子中，最常用的就是整流和逆變。這就需要用到整流橋和逆變橋。對(duì)三相電來(lái)說(shuō)，就需要三個(gè)橋臂。以兩電平為例，每個(gè)橋臂上有兩個(gè)電力電子器件，比如IGBT。這兩個(gè)IGBT不能同時(shí)導(dǎo)通，否則就會(huì)出現(xiàn)短路的情況。

因此，設(shè)計(jì)帶死區(qū)的PWM波可以防止上下兩個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通。也就是說(shuō)，當(dāng)一個(gè)器件導(dǎo)通后關(guān)閉，再經(jīng)過(guò)一段死區(qū)，這時(shí)才能讓另一個(gè)導(dǎo)通。

1一、什么是死區(qū)?

通常，大功率電機(jī)、變頻器等，末端都是由大功率管、IGBT等元件組成的H橋或3相橋。每個(gè)橋的上半橋和下半橋是是絕對(duì)不能同時(shí)導(dǎo)通的，但高速的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)在達(dá)到功率元件的控制極時(shí)，往往會(huì)由于各種各樣的原因產(chǎn)生延遲的效果，造成某個(gè)半橋元件在應(yīng)該關(guān)斷時(shí)沒(méi)有關(guān)斷，造成功率元件燒毀。

死區(qū)就是在上半橋關(guān)斷后，延遲一段時(shí)間再打開(kāi)下半橋或在下半橋關(guān)斷后，延遲一段時(shí)間再打開(kāi)上半橋，從而避免功率元件燒毀。這段延遲時(shí)間就是死區(qū)。(就是上、下半橋的元件都是關(guān)斷的)死區(qū)時(shí)間控制在通常的低端單片機(jī)所配備的PWM中是沒(méi)有的。

死區(qū)時(shí)間是PWM輸出時(shí)，為了使H橋或半H橋的上下管不會(huì)因?yàn)殚_(kāi)關(guān)速度問(wèn)題發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通而設(shè)置的一個(gè)保護(hù)時(shí)段，所以在這個(gè)時(shí)間，上下管都不會(huì)有輸出，當(dāng)然會(huì)使波形輸出中斷，死區(qū)時(shí)間一般只占百分之幾的周期。但是PWM波本身占空比小時(shí)，空出的部分要比死區(qū)還大，所以死區(qū)會(huì)影響輸出的紋波，但應(yīng)該不是起到?jīng)Q定性作用的。

2二、DSP里的PWM死區(qū)

在整流逆變的過(guò)程中，同一相的上下橋不能同時(shí)導(dǎo)通,否則電源會(huì)短路，理論上DSP產(chǎn)生的PWM是不會(huì)同時(shí)通，但器件的原因PWM不可能是瞬時(shí)電平跳變的，總是梯形下降的，這樣會(huì)可能使上下橋直通，為此，設(shè)一個(gè)極短的時(shí)間，上下橋都關(guān)閉，再選擇性開(kāi)通，避免了上下橋直通，實(shí)際控制中死區(qū)會(huì)導(dǎo)致控制性能變差。

PWM的上下橋臂的三極管是不能同時(shí)導(dǎo)通的。如果同時(shí)導(dǎo)通就會(huì)是電源兩端短路。所以，兩路觸發(fā)信號(hào)要在一段時(shí)間內(nèi)都是使三極管斷開(kāi)的。這個(gè)區(qū)域就叫做“死區(qū)”。

PWM的占空比決定輸出到直流電機(jī)的平均電壓，PWM不是調(diào)節(jié)電流的。PWM的意思是脈寬調(diào)節(jié)，也就是調(diào)節(jié)方波高電平和低電平的時(shí)間比，一個(gè)20%占空比波形，會(huì)有20%的高電平時(shí)間和80%的低電平時(shí)間，而一個(gè)60%占空比的波形則具有60%的高電平時(shí)間和40%的低電平時(shí)間，占空比越大，高電平時(shí)間越長(zhǎng)，則輸出的脈沖幅度越高，即電壓越高。如果占空比為0%，那么高電平時(shí)間為0，則沒(méi)有電壓輸出。如果占空比為100%，那么輸出全部電壓。

所以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，而且輸出電壓可以無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)。

3三、PWM相關(guān)概念

1、占空比

就是輸出的PWM中，高電平保持的時(shí)間與該P(yáng)WM的時(shí)鐘周期的時(shí)間之比。

如，一個(gè)PWM的頻率是1000Hz，那么它的時(shí)鐘周期就是1ms，就是1000us，如果高電平出現(xiàn)的時(shí)間是200us，那么低電平的時(shí)間肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是說(shuō)PWM的占空比就是1:5。

2、分辨率

也就是占空比最小能達(dá)到多少，如8位的PWM，理論的分辨率就是1：255(單斜率)，16位的的PWM理論就是1:65535(單斜率)。

頻率就是這樣的，如16位的PWM，它的分辨率達(dá)到了1:65535，要達(dá)到這個(gè)分辨率，T/C就必須從0計(jì)數(shù)到65535才能達(dá)到，如果計(jì)數(shù)從0計(jì)到80之后又從0開(kāi)始計(jì)到80.......，那么它的分辨率最小就是1:80了，但是，它也快了，也就是說(shuō)PWM的輸出頻率高了。

3、雙斜率 / 單斜率

假設(shè)一個(gè)PWM從0計(jì)數(shù)到80，之后又從0計(jì)數(shù)到80....... 這個(gè)就是單斜率

假設(shè)一個(gè)PWM從0計(jì)數(shù)到80，之后是從80計(jì)數(shù)到0....... 這個(gè)就是雙斜率

可見(jiàn)，雙斜率的計(jì)數(shù)時(shí)間多了一倍，所以輸出的PWM頻率就慢了一半，但是分辨率卻是1：(80+80)=1:160，就是提高了一倍。

假設(shè)PWM是單斜率，設(shè)定最高計(jì)數(shù)是80，我們?cè)僭O(shè)定一個(gè)比較值是10，那么T/C從0計(jì)數(shù)到10時(shí)(這時(shí)計(jì)數(shù)器還是一直往上計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)到設(shè)定值80)，單片機(jī)就會(huì)根據(jù)你的設(shè)定，控制某個(gè)IO口在這個(gè)時(shí)候是輸出1還是輸出0還是端口取反，這樣，就是PWM的最基本的原理了。