带有脉宽调制的PCB设计

直到我开始为音乐工作室设计一个效果器箱时，我才被迫首先涉足脉宽调制（PWM）应用。尽管它可以在合成器中产生非常有趣的效果，但它还有许多其他用途，对于不是电子学专家的人来说可能并不明显。

脉冲宽度调制也是控制电路和机电系统的核心部分。对于使用脉宽调制的各种系统，PCB设计人员在设计电路板时应牢记一些设计技巧。

什么是脉宽调制？

术语脉冲宽度调制是指一种用于在保持总脉冲周期恒定的同时调整脉冲序列中数字脉冲的ON时间的方法。换句话说，调节脉冲序列中脉冲的接通时间，同时接通时间和断开时间之和保持不变。随着开启时间的增加，关闭时间必须减少相同的数量，反之亦然。接通时间与接通时间与断开时间之和的比率称为占空比。

您可以使用555或7555定时器或微控制器来制作简单的脉波调制发生器。您也可以使用不稳定的多谐振荡器或三角波发生器和比较器来生成PWM信号。您将需要调制压敏电阻或输入电压，以控制脉宽调制信号的占空比。

脉宽调制应用

具有脉冲宽度调制功能的一系列脉冲已在许多控制应用中使用。功率电子和机电系统有两个广阔的脉宽调制应用领域。脉冲宽度调制还用于电信中以传输串行数据，以及用于D类音频放大器和减法合成器。

在电源领域，脉宽调制用于控制晶体管在开关调节器中的开关速率，作为调节反馈回路的一部分。脉冲宽度调制用于设置方波的占空比，此调制脉冲序列用于控制开关速率。这将使电源的输出电压升压（升压模式）或降压（降压模式）。

电子系统和电动机中用于热调节的风扇还使用脉宽调制来控制其转速以及加速或减速。在使用电动机时，您的脉冲宽度调制信号应具有倾斜的上升时间，以防止电动机在驱动时发出喀哒声。

带有脉冲宽度调制的PCB的一些布局指南

设计用于脉冲宽度调制应用的PCB时要注意的一个重要方面涉及串扰和辐射EMI。一些设计人员认为高速电路与信号从ON切换到OFF的速率有关。如果这是正确的，则意味着随着占空比的变化，承载脉宽调制信号的走线和分量将从高速转换为低速。不幸的是，这是不正确的。

高速数字信号是根据信号的上升时间而不是信号保持在ON或OFF状态的时间量来分类的。脉冲宽度调制信号的上升时间不随占空比变化，而是取决于系统中使用的逻辑系列。TTL逻辑系列被广泛认为是高速信号系列，因此在布局电路板时，您需要牢记高速设计规则。

确保在整个电路板上终止走线或对阻抗进行控制，并尝试使走线长度尽可能短，以避免在处理高频信号和高速信号时出现传输线效应。在不可避免地使用长传输线的情况下，您可能希望将低电平的迹线与载有脉冲宽度调制信号的迹线屏蔽开。或者，您可以在带状线配置的内部层中路由敏感的数字信号。另一个选择是将敏感的数字信号作为差分对进行路由。

由于使用脉宽调制的PCB可能还包含一些模拟元件（例如，电动机和功率逆变器），因此将模拟和数字组件分离到电路板的不同部分非常重要。数字组件相对不受低电流模拟信号引起的信号的影响，但事实并非如此。将电路板分为数字和模拟部分只是在这些系统中需要实现的一种混合信号设计技术。

解决PWM驱动电路中的EMI

如果您使用的是电动机或开关稳压器，请注意传导或辐射的EMI，这会干扰附近的走线。当电源输出高电流时，开关电源中的调节器产生的EMI可能足以干扰附近的数字电路。用脉宽调制驱动的感应电动机会通过传导EMI进入附近的电路而引起共模噪声，这可能会影响您的EMC等级。

要降低辐射的EMI，需要使用诸如屏蔽，保护走线或在EMI产生系统周围简单接地的技术，以防止辐射到达数字走线。也可以使用接地层而不是屏蔽罐来屏蔽辐射EMI源附近的走线。降低传导EMI的一种简单方法是在干扰器设备的输出端子之间放置一个电容器。该电容器应放置在尽可能靠近端子的位置。