单片机测量PWM占空比的三种方法

由 cathy 提交于周四, 19 十一月 2020 - 13:57

PWM(Pulse Width Modulation)，一般指脉冲宽度调节，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，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中，比如LED亮度调节、电机转速控制等。

而在某些特殊应用中，我们也需要通过测量输入PWM的占空比，来实现不同的输出控制，这就需要使用到PWM占空比的测量方法。这里介绍三种不同的测量方法：阻塞方式、中断方式以及定时器捕获功能。

1. 阻塞方式

MCU阻塞方式测量PWM占空比的原理比较简单，也只需要使用到一个普通的IO端口（设置为输入模式，对于51而言那就是一个普通的双向口）。具体实现流程为：

直接进入正题，如下图以Buck为例。我们首先假设，电感的电流波形以斜率m1上升，然后以斜率m2下降，在电感的电流达到峰值电流的时候限值电压（顶上的电压横线）突然受到一个干扰时间为Δt，幅值为+ΔV的干扰后（限值电压升高），电感峰值电流达到原本的峰值电流后在Δt时间内继续上升，上升的电流幅值为ΔI，随后干扰消失，电感电流以m2的斜率下降，大致如下图，下面来计算一下受到干扰后电流波形与原本的电流轨迹的差值ΔI1，ΔI2......ΔIn，是越来越大还是越来越小，越大则不稳定，越小则稳定。

上图中虚线为受到干扰后的波形，实线为原本的波形轨迹

我们把实线的第一个峰值电流记做 i1

（1）测量脉冲信号频率fo，频率范围为10Hz～2MHz，测量误差的绝对值不大于0.1%。

（2）测量脉冲信号占空比D，测量范围为10%～90%，测量误差的绝对值不大于2%。

使用官方STM32F429 Discovery开发板，主频180MHz，定时器频率90MHz。

思路一、外部中断

这种方法是很容易想到的，而且对几乎所有MCU都适用（连51都可以）。方法也很简单，声明一个计数变量TIM_cnt，每次一个上升沿/下降沿就进入一次中断，对TIM_cnt++，然后定时统计即可。如果需要占空比，那么就另外用一个定时器统计上升沿、下降沿之间的时间即可。

缺陷显而易见，当频率提高，将会频繁进入中断，占用大量时间。而当频率超过100kHz时，中断程序时间甚至将超过脉冲周期，产生巨大误差。同时更重要的是，想要测量的占空比由于受到中断程序影响，误差将越来越大。

笔者当时第一时间就把这个方案PASS了，没有相关代码（这个代码也很简单）。不过，该方法在频率较低（10kHz以下）时，可以拿来测量频率。在频率更低的情况下，可以拿来测占空比。

思路二、PWM输入模式

首先反激电源一般设计占空比时，我们一般是小于0.5的，大家都知道如果超过0.5必须要增加斜坡补偿。

那么开关电源在设计反激开关电源时，为何占空比都设计成0.45左右而不是更小？

听得最多的是，占空比越大电源效率会越高，所以大家都是这样来设计的，实际上也是个这样的趋势，为什么？从原理上怎么解释？从公式上又怎样看出？

我们一起来分析一下：

以反激DCM模式为例

首先开关电源中最影响效率的三个关键元器件为

1、mos管

2、变压器

3、输出整流二极管

当然还有其他元器件，但这三个占比是比较大的。

mos管损耗分为：开通损耗、关断损耗、导通损耗、驱动损耗

（DCM状态下开通损耗是忽略不计的）

变压器损耗分为：铁损、铜损

整流二极管损耗分为：导通损耗、反向恢复损耗

跟这些损耗关系最大的参数就是电流：峰值电流、有效值电流。

我们如果能证明占空比越大峰值电流越小，有效值电流也越小的话，基本可以证实我们的标题：反激占空比越大效率越高。

占空比是脉冲宽度调制(PWM)开关电源的调制度，开关电源的稳压功能就是通过自动改变占空比来实现的，开关电源的输出电压与占空比成正比，开关电源输出电压的变化范围基本上就是占空比的变化范围。由于开关电源输出电压的变化范围受到电源开关管击穿电压的限制，因此，正确选择占空比的变化范围是决定开关电源是否可靠工作的重要因素；而占空比的选择主要与开关电源变压器初、次级线圈的匝数比有关，因此，正确选择开关电源变压器初、次级线圈的匝数比也是一个非常重要的因素。

占空比

占空比一般是指，在开关电源中，开关管导通的时间与工作周期之比，即：

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