超能课堂(208):PWM芯片看得多了,那PWM控制又是怎么一回事呢?

2019-11-24 17:37:05 3点赞 16收藏 2评论

我们在研究散热器风扇的时候往往会讲到PWM,而且很多时候支持PWM的产品会比不支持PWM的显得更高级一些。而在主板、显卡还有电源评测中也会提到有PWM控制芯片,显然对于PC来说PWM已经是一个很普遍的存在。然而PWM是什么?PWM为什么会那么重要?我们相信很多玩家可能连“知其然”都做不到,更别说“知其所以然”了。为此今天的超能课堂我们就来捋一捋关于PWM的二三事,看看这个在PC中似乎无处不在,看着有点脸熟但实际上还是很陌生的PWM到底是何方神圣。

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主板上的PWM供电控制芯片


什么是PWM?

PWM的全称是Pulse Width Modulation,即脉冲宽度调制,其本质是一种数字信号,主要由两个组成部分来进行定义,分别是占空比和频率,其中占空比值得是信号为高电平状态的时间量占据总周期时间的百分比,而频率则代表着PWM信号完成一个周期的速度,也就是决定信号在高低电平状态之间的切换速度。

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图片源自National Instruments

目前PWM已经被广泛应用在各种控制系统中,特别是各种模拟电路的控制,多数离不开PWM信号。可能大家对此会感到疑惑,PWM既然是一种数字信号,那怎么会用在模拟电路的控制上呢?实际上PWM很大程度上就是为了实现模拟电路数字化控制而诞生的,我们不妨举例说明,当一个数字信号源的高电平为5V、低电平为0V的情况下,如果想要用这个数字信号源输出相当于3V的模拟信号,那么我们就可以将这个数字信号以PWM占空比60%的方式进行输出,也就是说一个信号周期内有60%的时间输出5V,剩下40%的时间输出0V,此时只要信号周期足够短,也就是PWM频率足够快,那么我们将获得一个输出电平无限接近于5V*60%=3V的信号源,这就是PWM能够以数字信号的身份控制模拟电路的主要原因。

以往模拟电路的精确控制往往需要一个相对大规模的电路,不仅笨重而且功耗与发热都不低。相比之下通过PWM这种数字信号来控制模拟电路,既可以确保精准度,又可以有效降低控制电路的体积与功耗,因此PWM很快就成为了目前一种主流的电路控制模式,直流电机、阀门、液压系统、电源等各个领域中我们都能看到PWM的身影,在PC上也是如此,PC主板、显卡都采用了PWM进行供电控制,散热风扇也广泛应用PWM技术,PC电源里面也少不了PWM的身影。

散热风扇的PWM技术

常见的散热风扇调速有两种,分别是DC调速和PWM调速,其中DC调速又可以叫做电压调速,简单来说就是直接调整加载于风扇上的电压来进行转速控制。而控制风扇电压的方式有很多种,比较直接的方式就是外接电阻来进行分压,例如各种风扇减速线采用的就是这个方式。不过这种电压控制方式也有一个很明显的缺点,那就是由于风扇的转速未必与电压呈线性关系,例如一把风扇的标称电压为12V,当你只给它6V电压时其转速未必为一半,更多的可能是因为其启动电压至少为7V,只加载6V的话会电压不足而无法启动,因此想要精准地控制风扇的转速,直接调整风扇的输入电压往往不是一个理想选择。

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支持PWM调速的风扇都采用4pin接口

而采用PWM控制的风扇就没有上述的问题,虽然从原理上说,风扇所用的PWM调速也算是一种电压调速,只是其表现出来的是“等效电压”而非“实际电压”。由于PWM是通过占空比来调整输出信号的电平高低,因此转换为风扇电压时也就只有12V和0V的区别,只是通电时间长短有所不同,简单来说就是风扇上虽然加载的是等效6V的电压,但其实际上是占空比为50%的12V电压,这个时候风扇就不存在“启动电压”的问题了,而且风扇转速与PWM的占空比基本呈线性关系,这使得风扇转速的控制变得非常简单。

当然了这个PWM信号并非作为驱动风扇的电源使用,而是用来驱动风扇内部的三极管或者MosFET,以此实现对风扇的输入控制,因此支持PWM控制的风扇除了有供电、检测和接地三根线外,还会有一根额外的PWM控制线。而受PWM控制风扇转速的启发,有部分主板也在风扇接口上加入了PWM控制模块,通过PWM来控制风扇的输入电压,让3pin接口的风扇也能实现近乎线性的转速控制。不过这种配置基本上只有中高端主板才会享用,真正普及的仍然是直接支持PWM控制的4pin风扇接口。

供电电路的PWM技术

主板、显卡和PC电源虽然是三个截然不同的硬件,但是就供电所用的技术来说却是大同小异,PC电源是通过各种拓扑架构和PWM技术将市电的交流输出变为12V、5V、3.3V、-12V等不同的输出电压,而主板和显卡则是将PC电源的供电通过PWM技术转变为CPU和GPU等芯片所需要的电压和电流,因此目前主板、显卡和PC电源基本上都应用了PWM供电控制技术。

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PC电源中的PWM控制芯片

PWM控制电压的技术放在什么硬件上都是一样的,就是通过控制占空比来控制“等效电压”。显卡、主板和PC电源上的自然也是如此,只是由于它们所带的负载对电压和电流的稳定度要求很高,因此低速的PWM不适合用在供电控制上。目前业内普遍做法是,电源的PWM控制需要使用不低于20kHz的频率,建议是使用200kHz或以上的,因为越高的频率越有利于调整的响应速度。

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电压控制型PWM

当然用在供电上的PWM控制比起风扇上的显然会复杂很多,因为供电电路面对的大多数是恒定电压、动态电流的负载,因此用在供电上的PWM控制就不仅要考虑设备的输入电压,还要考虑到输入电流。供电电路所用的PWM控制大体上可以分为电压控制型PWM和电流控制型PWM,前者是通过电压反馈线路对比基准电压和实际输出电压,然后通过调整PWM的占空比来稳定输出电压。这种电路的组成比较简单,但是用在供电电路中会有一个明显的缺点,那就是由于实际电路中往往会存在电容和电感等元件,电流与电压的变化会不一致,对于低功耗、低响应需求的电路来说还问题不大,但是对于高功耗和动态变化丰富的电路来说,电压控制型PWM往往不能马上响应设备对供电变化的需求,从而导致电路不稳定,无法正常工作。

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电流控制型PWM

而电流控制型PWM就是为了弥补电压控制型PWM的缺陷而发展起来的,基本组成来说,电流控制型PWM就是在电压控制型PWM的基础上增加了一组电流反馈线路,形成双闭环控制,这样不管电路中的电压还是电流发生了变化,都会触发PWM的占空比调整,使得整个电路的响应速度有了很大的提升,可以有效改善供电的电压调整率,增强系统稳定性。

因此目前显卡、主板以及电源上的PWM供电控制大部分都是电流控制型PWM,其相比电压控制型PWM虽然在电路组成上要略微复杂,整体成本也更高,但是换回来供电稳定性和供电响应速度显然更为重要。当然供电电路的性能也不仅仅是有PWM来决定的,并不是说你用的PWM控制芯片好就能有稳定的供电,包括MosFET、电容、电感等组成部分也同样重要,不过这些都是后话了,有兴趣的同学可以继续关注我们的课堂文章。



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