PWM 使用指南

2 Dec 2024

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表 1. 术语定义
术语/缩略语	定义及说明
PWM	Pulse-Width Modulation，脉冲宽度控制，简称脉宽调制
EPWM	Enhanced Pulse-Width Modulation, 增强型脉冲宽度控制（Luban 中 EPWM 功能与 PWM 相同，如无特殊说明，两者通用）
TBC	Time Base Counter，时基计数器，用于产生锯齿波
占空比	PWM 信号中，高电平保持的时间与该 PWM 时钟周期的时间之比
分辨率	占空比最小能达到多少，如 8 位的 PWM 理论分辨率是 1:255
Up Count	增模式, 计数方式是递增计数，如从 0 计数到 80、之后又从 0 到 80（波形是锯齿波）
Down Count	减模式, 计数方式是递减计数，如从 80 计数到 0、之后又从 80 到 0（波形是锯齿波）
单斜率	单个方向的计数，增模式、减模式都属于单斜率
Up&Down Count	增减模式，计数方向有两个，如从 0 计数到 80、然后从 80 到 0（波形是三角波），增、减两个过程合起来算一个周期
双斜率	两个方向的计数，增减模式属于双斜率

PWM 工作原理

PWM 信号
PWM 信号通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比可以调节。用数字输出来控制 PWM 占空比，占空比提高意味着高电平脉宽增大，输出的能量就会增加，PWM 就相当于一个 功率版的 DA 转换模块。下图是一个典型的 PWM 信号波形：

图 1. 典型的 PWM 信号波形
占空比的计算方法： 占空比=(脉宽时间/周期)*100%
结合上图，我们可以说：脉宽时间 1 相比脉宽时间 2 提供较小的占空比。
PWM 通常用于背光亮度调节、电机控制、舵机控制等。本文仅限于 PWM 调节背光的功能，通过调节 PWM 中的占空比，达到控制 LED 背光电流的通和断，进而可调整背光亮度。
增模式
为了灵活调节 PWM 信号的占空比，要先想办法产生一个递增、或者递减的锯齿波信号，另外再结合一个比较器来跟一个阈值进行比较，当满足条件时进行电平反转，这样达到的效果就是通过调节“阈值”来调节了占空比。
下图是由一个 递增变化 的锯齿波产生 PWM 信号的过程：

图 2. 由增模式锯齿波产生 PWM 信号的过程示意图

图中 Tpwm 表示 PWM 信号的周期值，另外有 三个关键的时间点（下文简称关键时点） （标注橙色圆圈，为了简洁只标注了最后一个周期）在下文中会频繁使用：
- ZRO
  
  Zero Point 的缩写，锯齿波的起始点
- PRD
  
  Preiod Point 的缩写，锯齿波到达一个满周期的时间点
- CMP
  
  Compare Point 的缩写，锯齿波到达了阈值的时间点，如上图中的 CMP 值为 7。
提示：
实际上，PWM 模块支持设置两个 CMP 值：CMPA 和 CMPB。受限于 OS 中 PWM 子系统架构的接口设计，根据 duty 参数计算只能得到一个 CMP 值，所以 CMPB 和 CMPA 实际上数值保持一致。

这些关键时点的触发行为 Action 有四种类型，详见 PWM 配置
减模式
下图是由一个 递减变化 的锯齿波产生 PWM 信号的过程：

图 3. 由减模式锯齿波产生 PWM 信号的过程示意图
增减模式
下图是由一个 同时有递减、递减变化 的锯齿波产生 PWM 信号的过程：

图 4. 由增减模式锯齿波产生 PWM 信号的过程示意图
比较以上三种模式的 PWM 产生过程，可以看到：
- 三种模式可以产生同样效果的 PWM 信号
- 配置 ZRO、CMP（增减模式中有两处 CMP）、PRD 的触发行为（Action），可产生不同的 PWM 信号
- CMP 的取值，直接决定了占空比，所以用户看到的 调节占空比就是通过调节 CMP 值来实现
- PRD 的值，决定了 PWM 信号的周期值 Tpwm
提示：
1. 具体选择哪一种模式，要依据用户场景的需求特点，建议按 从简原则：首选相对简单的单斜率模式。
2. 为了简化使用，RTOS 中默认只使用 增模式。

PWM 功能简介

PWM 的硬件设计，使用时基计数器产生上述的锯齿波信号，使用一个比较器可同时产生两路 PWM 信号。 PWM 模块的硬件原理图可简化如下：

PWM 模块共支持 4 个 PWM 通道，上图只画出了其中一个 PWM 通道，每个通道有 PWMx0 和 PWMx1 两个输出信号，对应 DTS 参数中的 action0 和 action1 配置。 PWM 配置

PWM 模块支持的功能特性有：

每个 PWM 通道可以产生 PWMx0 和 PWMx1 输出信号，配置规则如下：
注：
在用户手册 > 接口 > PWM 模块中，上述两个 PWM 输出信号被称作 PWMxA 和 PWMxB。为了避免和阈值 CMPA 和 CMPB 混淆，软件设计中将两个输出信号称作 PWMx0 和 PWMx1。
- 两个独立的单边输出
- 两个独立的双边对称输出
- 一个独立的双边非对称输出
专用的 16 位可配置周期和频率的时基计数器（Time Base Counter）
系统时钟 100 MHz
多种事件可配置产生对应的中断

在 CMPA 和 CMPB 同时使用的情况下，锯齿波就会有两次和阈值的比较，共产生 4 个关键时点：


锯齿波信号波段	CMPA	CMPB
增斜率段	CAU (Compare A Up)	CBU (Compare B Up)
减斜率段	CAD (Compare A Down)	CBD (Compare B Down)

以增减模式的锯齿波为例，共 6 个关键时点：

表 2. 增减模式下关机时点的触发行为配置
关键时点	Action 类型
CBD	none
CBU	none
CAD	high
CAU	none
PRD	low
ZRO	low

关于行为类型定义，见 PWM 配置。