脈寬調變在電子產品中的作用

脈寬調變 (PWM) 是一種電源控制技術，能以固定頻率快速開關電氣訊號，藉此調節電氣訊號的有效輸出。調整「通電」時間與整個週期時間的比例，數位訊源就可模擬不同的類比電壓位準，進而控制供電給負載的平均能量。

更廣義來看，調變是指將資訊改變或編碼到電氣波形上，以影響電路或系統的行為。在實務電子學中，這代表對訊號進行整形，以便傳輸資料，或對抵達裝置的電壓或電流多寡進行控管。此原理廣泛應用於馬達驅動器、可調光照明、音訊系統，以及電源轉換或電池充電電路。

雖然 PWM、振幅調變 (AM) 和頻率調變 (FM) 皆是操控訊號接收幅度或頻率的主要策略，但本文將專注於 PWM。

PWM 基礎知識：工作週期與切換頻率

如前所述，PWM 會調整供電給負載的有效電壓與電流，藉此對波形進行整形。方法是快速驅動切換裝置 (通常是電晶體)，在完全導通和完全關斷狀態之間進行切換。改變開關停留在各狀態的時間長短，系統就可透過高頻率與低頻率的相對持續時間將資訊編碼。

實際上，PWM 會在各個切換週期內，改變其接收全供應電壓的時間長度，藉此限制供應給裝置的淨電力。增加「導通時間」會提高平均輸出電壓，減少則會降低負載上的有效位準。此行為由兩大參數決定：工作週期與切換頻率。

工作週期代表訊號在一個完整波形持續期間中處於作用或高位狀態的比例。通常會以百分比 (%) 表示，可指出在個週期內輸出處於開啟的比例。舉例而言，若數位波形處於高位 3 ms，低電位 1 ms，則總週期為 4 ms，如此可得到 75% 的工作週期，對應的切換頻率為 250 Hz。

由於工作週期會直接定義每個脈衝中帶電部分的持續時間，對齊進行調整，就可改變高位與低位時間的比例，進而控制供應給負載的有效功率，而不會改變實際的供應電壓。在許多系統中，電壓與頻率皆是固定參數，因此工作週期成了主要的可調整控制變數。在 PWM 驅動的加熱元件等應用中，對工作週期進行監測，也能當作系統是否輸出預期功率位準的可靠指標。

切換頻率可指出一個事件在指定時間長度內重複的次數。在此情境下，切換裝置每秒達到的開關切換次數會驅動 PWM 訊號。此速率會以 Hz 為單位測量，表示功率級完成其完整操作週期的速度。

挑選適當的 PWM 切換頻率是確保負載如預期運作的關鍵。如果對特定應用設定過高的頻率，機械元件 (如繼電器或某些類型的致動器) 可能無法跟上快速的切換，就會提前故障。相反地，切換頻率過低可能會導致不良影響，例如聽見噪音、振動，或受控裝置發生不穩定。例如，雖然相對較低的頻率對馬達驅動來說可以接受，但像是 LED 等固態負載，通常需要明顯更高的切換速率，以達成平順且無閃爍的運作。

PWM 的優缺點

PWM 的主要優點在於卓越效率，這主要是因為切換裝置耗散的功率非常少。開關關閉時，幾乎沒有電流流動；當完全導通時，裝置上的壓降極小。相較於線性控制方法，這可大幅降低導通與切換損耗。PWM 的其他優點包括：

• 憑藉全導通／全斷開運作，相較於線性穩壓器，熱耗散更低
• 由於控制訊號在本質上採用二進位，因此能與數位邏輯無縫整合
• 調節馬達、照明或電源轉換器時的整體能源效率更高
• 只要調整工作週期，就可精確控制有效電壓或電流
• 簡化電路，需要的類比元件或回授迴路通常較少
• 廣泛適用性，適合眾多電子系統，從電源供應器到致動器都可適用

雖然 PWM 是多功能且高效的技術，但在工程上也有幾項挑戰。一些主要的缺點包括：

• 在超高工作頻率下，切換損耗會增加
• 有電壓過衝或瞬變的可能
• 會產生電磁干擾 (EMI)與諧波，因此需要濾波
• 在大功率系統中的設計複雜度更高，因為切換元件與佈局考量會更加嚴苛

實務中的切換頻率與工作週期

由於 PWM 行為由工作週期與切換頻率共同決定，因此挑選各個參數時，都要配合目標負載的電氣與機械特性。以下產品應用範例 (Same Sky 皆有支援) 可說明這些數值通常會隨裝置類型而異。針對以下電子元件的建議如下：

• 風扇：大多數散熱風扇在 20 kHz 至 25 kHz 的 PWM 頻率範圍內可達到最佳操作，並可搭配 0% 至 100% 的工作週期空檔來調節從完全關閉到最大氣流的速度。切換頻率較高，有助於消除可聽見的噪聲並達到更平順的轉動。製造商通常會指定首選的 PWM 參數，以確保達到適當的啟動行為、速度穩定性和聲音表現。Same Sky 提供眾多樣式的 AC 與 DC 風扇硬體。
• 蜂鳴器：針對壓電或磁性蜂鳴器，PWM 頻率通常介於 1 kHz 至 10 kHz 之間，可對應人類可聽見的頻譜 (20 Hz 至 20 kHz)。調整工作週期會改變聲音強度，但通常 50% 的工作週期就可產生強勁且失真極低的輸出。由於許多蜂鳴器都調諧到狹窄的共振頻率，因此必須參閱規格書。Same Sky 提供多樣化的蜂鳴器。

圖 1：蜂鳴器在大約 15% 工作週期下驅動，產生的音調會明顯比 50% 工作週期驅動的安靜，即使頻率相同。(圖片來源：Same Sky)

• 超因波感測器：超音波傳感器通常會使用 20 kHz 至 400 kHz 範圍的 PWM 頻率，並經常以 50% 工作週期來產生乾淨且對稱的超音波脈衝。確切數值主要隨指定感測器設計而定，因此務必依循製造商的準則。Same Sky 提供完整的超音波感測元件產品組合。

   

• 帕爾帖裝置：利用 PWM 控制熱電模組時，通常會建議採用 300 Hz 至 3 kHz 的切換頻率。工作週期的調整會決定冷卻或加熱輸出，進而達到精確的熱調整。再次強調，若模組要達到長期可靠度，務必依循規格書的建議。Same Sky 提供多樣化帕爾帖裝置，包括單級、多級及整合式冷卻組件。

總結

調變是指透過控制訊號整形來改變或調節裝置或系統的行為。PWM 明確來說，是一種在眾多電子應用中調節電力傳輸的高效技術。PWM 可改變數位波形的工作週期，藉此達到精確的類比式控制，同時維持低功耗，因此從馬達驅動、照明、感測到熱管理系統等眾多應用，都成為首選方法。