分析调节PWM转换器占空比方案

　　脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一……在电压模式控制下，脉宽比较器利用斜坡电压设置脉宽。此外，在电流模式控制下，斜坡电压的一部分可以添加到电流斜坡，以增强系统的稳定性。通常，当转换器对斜坡电压放电时（下降或关闭时间），将切断电源开关。通过控制下降时间，可以调节转换器的占空比。

　　PWM 控制器 UCC38C42产品说明书指出标准的放电电流为 8.4 mA。假设需要 200 kHz 的工作频率，脉冲宽度为 75%。可以计算出通过放电晶体管的总放电量为10.5nC。该 IC 对电容器充电的方法是利用一个电阻连接参考电压  （Vref） 与 IC 时间电容器 （Ct） 引脚。因此，在整

　　个切换周期内，Vref 到 Ct 引脚之间都会有电流通过。该电流大小与Ct 引脚电压和电阻 Rt 的值相关。从产品说明书上还可以知道 Ct  引脚上的电压将发生 1.9V 变化。尽管该变化不是完全线性的，因为 Rt 上发生的电压变化仅为电源电压的 40%，并将从接近地电平开始并放电至接近地电平。

　　随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。

　　图 1 中正斜率斜线表示电容器的充电电压。斜线以下的区域表示 75% 循环时间内电容器的累计充电量。由于电压呈直线下降，放电时通过电阻的电流与相应电压在充电时通过电阻的电流保持一致。因此，放电时通过 Rt 的累计电流电量是充电时 Ct 充电电量的三分之一。

　　通过内部放电晶体管的总电量为放电启动时电容器的充电电量，加上电容器放电时通过 Rt 的电流电量。总的电量是电容器的峰值电量加上电容器放电时通过电阻的电量的 1/3，也就是电容器的峰值电量的11/3，原因是放电斜坡也是一条直线。由此可看出，充电电流与放电电流非常相似。因此，由于充电占了3/4的时间，而放电占了1/4的时间，故放电时的累计电量应该是充电时的1/3。

　　基于这点，我们可以确定Ct的值。我们知道电容器发生的电压变化为1.9V，我们还知道在峰值电压时，电容器充电电量的变化为10.5nC*（3/4）= 7.875nC。因此，电容器电容为 7.875 nC/1.9 V="4".145 nF。有了电容值，我们现在就可以得到电阻值了。电压源为5V，并根据方程：

　　我们根据两个已知的电压：V值 的变化量为1.9V和5.0V 的 Vref ，以及 3.75ms的时间，得出Rt为：。结果为Rt =1.893 kΩ。在仿真器中对该分析的结果进行了测试，图2显示了电容器的电压，两条线的斜率非常接近线性。通过电阻的电流波形显示了结果很类似的镜像。

　　陡升的波形相当于对电容器的放电，而缓降的电流波形表示对电容器充电。下一步将检查容差的影响。高低转折点电压变化都很小。较高的转折点电压会造成更长的充放电时间。同样，较低的转折点电压会造成频率上升，因为Ct电压可以更快地到达较低电压转折点。

　　由于容差的存在，电容值的变化与电压转折点的变化具有同样作用。脉冲宽度与总的周期时间比例将保持同一数值。这基本上是由于充放电周期的线性特性造成的。放电电流的波动会改变电容充放电时间的比例。如果放电电流小于标准值，则放电时间将更长，但是充电时间保持不变。这会产生两方面的影响。如果放电电流大于标准值，则出现相反情况。如果电路只有在预设的占空比下才能进行工作的话，则必须确保在放电电流时，电路依然能在安全限值内工作。所用的 Rt 也必须有容差，该阻值容差相对于放电电流的波动而言，变化并不大，推荐使用 0.1% 的阻值容差。

　　在该IC中，放电电流的波动范围为7.2mA ~ 9.5mA。对电路进行设计时，要牢记电流可以达到值，并且至关重要地是占空比不能超过75%的限值。这将使Ct变为4.688nF，电阻变为1.631 kΩ。

　　很自然，若放电电流为另一极限值7.2 mA，则占空比将小于预期的75%，频率也将比预期的200kHz低。我们可以在放电电流时求出占空比。由这就是说，较低放电电流时的占空比是67%，并且频率将减小为178.7kHz。电路仿真的结果参见图3。

　　接下来电路设计人员必须参照说明书，确定Ct和Rt的变化是否在IC的工作范围内。他还必须验证频率的波动范围是178kHz ~ 200kHz，并且应用中占空比是从低频率时的67% ~ 200kHz时的75%。

　　如果电路必须工作于200kHz或更高频率，则应在接地与Ct电容器之间施加一个电压脉冲，其保持时间比下降时间短，使电路同步。如果电路在178kHz与67%占空比时是自由运行的，则通过同步，电路也将在200kHz工作。但是它仍然有67%的占空比，只是斜坡电压波的波幅减少了。

　　用值Ct=4.31 nF、Rt=1.8kΩ构建一块试验电路板进行测量。计算所得的频率为192kHz，与实际测量值一致。占空比略微有些不同，约为 77%，这可能是因为测量误差。分析、仿真以及实际的测量均显示了良好的一致性。

　　PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。