一种基于比较器的低成本PWM控制电路

苏 锋

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

0 引 言

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行有效控制的一种技术，广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等领域[1]。PWM驱动信号主要应用于伺服、驱动以及能量的传递等领域，在大多数系统应用中，PWM信号的产生和控制主要靠微处理器来实现。随着PWM驱动信号的广泛应用，大多微处理器内部均集成了PWM信号控制功能。PWM信号从处理器到被控系统都是数字形式，在信号传输过程中可以将噪声影响降到最低。在无须使用微处理器来实现复杂算法和通信的系统应用中，使用简单可靠的硬件电路产生PWM控制信号，能有效减小电子系统体积，同时无须晶体振荡器提供时钟，PWM控制信号精度更高，抗干扰性能更强[2]。

1 PWM驱动信号的控制

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，直到20世纪80年代随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术以及自动控制技术的发展，PWM控制技术也实现了空前的发展，目前已经出现了多种PWM控制技术，最常用的是基于微控制器的PWM控制技术。基于微控制器的PWM控制电路原理框架如图1所示。

在工业控制、伺服控制以及通信产品等的设计中，需要利用微控制器进行复杂的状态控制，基于软件控制的PWM控制方法具有一定的应用优势。但是在纯硬件功能电路实现的设计中，微控制器的使用将额外增加微控制器及其配置电路模块，同时存在软件稳定性的风险，不利于系统的小型化、高可靠性设计。

2 基于比较器的PWM控制方法

2.1 控制电路

基于比较器的PWM控制电路原理框架如图2所示。

图2 基于比较器的PWM控制电路原理框架

控制电路主要由方波发生电路、占空比调节电路、隔离输出电路以及高压反馈电路组成，方波发生电路、占空比调节电路和隔离电路共同作用产生动态开关的控制驱动信号。此外，方波发生电路主要产生特定频率的方波信号。占空比调节电路主要对方波发生电路产生的方波信号进行占空比调节，最终输出具有固定频率、占空比的控制信号。隔离输出电路的主要功能包括3个方面：一是对控制信号输出隔离，提高抗干能力；二是提高驱动信号的驱动功率，从而提高控制信号的驱动能力；三是减少驱动信号上升沿和下降沿的时间，以减少功率开关管的开关损耗[3]。

2.2 控制参数计算

根据分析，动态开关控制信号的控制参数主要在方波发生电路和占空比调节电路中调节。方波发生电路等效电路如图3所示，占空比调节电路等效电路如图4所示。

图3 方波发生电路等效电路

图4 占空比调节电路等效电路

方波发生电路主要由比较器、电阻和电容组成具有滞回比较特性的比较电路，该电路具有输出惯性，具有一定的抗干扰能力。占空比调节电路主要由比较器、电阻和电容组成比较电路，对方波发生电路输出方波信号的高电平进行处理，从而实现输出信号的占空比调节。通过对电路参数进行分析计算，从而计算出动态开关控制信号的各参数值。

当电路上电工作时，比较器M1输出端高电平U1=UCC，此时比较器M1正输入端电压即为输出端电平由高跳低的阈值电压。设该阈值电压为UT1，则：

当U2充电至UT1时，比较器输出电平由高跳低，此时比较器M1正输入端电压即为输出端电平由低跳高的阈值电压。设该阈值电压为UT2，则：

由电路可知，电容C1通过电阻R1在阈值电压UT1、UT2之间周期性地进行充放电，电容C1充电与放电的时间常数均为R4C1。设电容C1电压由UT2充电至UT1所用的时间为T1，由UT1放电至UT2所用的时间为T2，则方波信号的高电平时间T1为

方波信号的低电平时间T2为

当比较器M1输出低电平时，比较器M2也输出低电平。当比较器M1输出高电平时，比较器M2正、负输入端电压为

比较器M1输出高电平的时间T3为

控制信号的占空比q为

3 分析及验证

通过以上分析，调整电压比较电路的R1、R2和R3可以改变阈值电压的幅值。为了提高电路的抗干扰能力，R1、R2和R3的选择要确保UT1-UT2具有较大的值。此外，调整电阻R1、R2、R4和电容C1的数值可以改变电路的振荡频率。为了提高电路的抗干扰能力，电路振荡波形的设计应为其他电路单元无法产生的波形或噪声。在频率不变的情况下，调整R5、R6、R7和C2可以改变控制信号的占空比。对于R5、R6、R7和C2参数的选择，要确保T3＜T。根据理论分析，控制信号最大占空比小于50%。在比较器的选型上，单位增益带宽要满足振荡频率的设计要求[4,5]。实验过程中，使用LM2904比较器，取R1=R2=9.1 kΩ，R3=4.7 kΩ，R4=7.5 kΩ，C1=0.01 µF，R5=3.3 kΩ，R6=4.3 kΩ，R7=820 Ω，C2=0.022 µF。

方波发生电路产生的方波波形如图5所示，其高电平时间为146 μs。由于比较器上升沿、下降沿时间较长，因此产生的波形不是严格意义上的方波。

图5 方波发生电路产生的方波波形

经过占空比调节的隔离输出信号如图6所示，其高电平时间为16 μs。经过隔离整形后，方波的上升沿、下降沿时间较短，符合开关驱动信号的要求。

图6 占空比调节后的隔离输出信号

4 结 论

综上所述，基于比较器的PWM控制电路由比较器、电阻、电容分别组成方波发生电路和占空比调节电路，通过对电路参数的合理设计，能够有效提高电路的抗干扰能力。通过实验验证，该控制电路输出的控制驱动信号各项参数值与理论计算值相符，同时输出端输出的PWM控制信号参数符合动态开关控制信号的要求。与基于微控制器的控制方法相比，其设计方法简单，值得借鉴。