基于PWM与运放的电压调节电路设计：原理与工作过程详解

基于PWM与运放的电压调节电路设计：原理与工作过程详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_63103361/article/details/145683505

在嵌入式系统设计中，通过MCU的PWM信号控制输出电压是一种常见的低成本解决方案。然而，PWM信号本身的高频波动特性使其难以直接用于高精度场景。本文介绍一种基于二阶RC低通滤波与运算放大器反馈控制的电路设计，通过将PWM信号转换为稳定直流电压，并利用二极管钳位实现动态调节，最终输出可控的直流电压。以下是该电路的核心原理与工作过程分析。

电路结构及关键模块功能

1. PWM信号源（MCU）

• 功能：生成占空比可调的PWM信号，占空比D直接决定目标输出电压。
• 公式：PWM信号的平均电压为 V_avg = V_{CC_MCU} × D。

2. 二阶RC低通滤波器

• 组成：由两组RC电路（R1-C1、R2-C2）串联构成，用于滤除PWM的高频分量，输出近似直流电压V₊。
• 特点：相比一阶滤波器，二阶滤波器的截止频率更低，纹波抑制能力更强。

3. 运算放大器与反馈网络

• 同相端（V₊）：接收滤波后的PWM直流电压。
• 反相端（V₋）：直接连接输出端V_out，构成电压跟随器结构。
• 二极管D1：钳位输出电压，防止过冲，并参与动态调节。

4. 分压电阻R4

• 功能：将电源电压V_CC分压得到V_out2，作为运放反相端的初始参考电压。

工作原理分析

当V₊ > V_out2时（动态上升过程）

• t₀时刻

• V₊ = 0V，V₋ = V_out2（初始电压）。

• 运放输出V_out1 = 0V，二极管D1导通，V_out被钳位至二极管压降V_d。

• t₀~t₁阶段

• V₊从0V开始上升，但尚未超过V_d。

• 运放保持低电平输出，V_out = V_d。

• t₁~t₂阶段

• V₊ > V_d，运放输出高电平，D1截止。

• V_out开始上升，直至V₋ ≥ V₊，运放输出低电平，D1再次导通钳位。

• 闭环调节

• 通过反复比较V₊与V₋，最终V_out = V₊，实现电压跟随。

• 稳态阶段

• V_out稳定在V₊，运放与D1协同维持输出电压精度。

当V₊ < V_out2时（初始钳位过程）

• t₀时刻

• 初始状态与上述类似，V_out被钳位至V_d。

• t₀~t₁阶段

• V₊缓慢上升，但始终低于V_d，运放输出保持低电平。

• t₁~稳态阶段

• 当V₊ > V_d时，运放输出高电平，D1截止，V_out上升至与V₊相等。

• 系统再次进入电压跟随状态，V_out = V₊。

关键设计要点

1. 二阶RC滤波器设计

• 截止频率需远低于PWM频率，以确保有效滤波。
• 推荐公式：f_c = 1 / (2πR1·R2·C1·C2)。

2. 运放选型

• 选择高输入阻抗、低压摆率的运放（如LM358），避免高频振荡。

3. 二极管D1的影响

• 钳位电压V_d会引入固定误差，可通过选用低压降肖特基二极管（如1N5819）或软件校准补偿。

4. 动态响应优化

• 减小R4阻值可加快响应速度，但会增大静态功耗，需权衡取舍。

应用场景与改进方向

• 应用：低成本DAC、LED调光、电机驱动电压控制等。
• 改进方案
• 增加三极管或MOSFET扩流，提升输出驱动能力。
• 加入反馈电容消除运放振荡。
• 使用数字电位器替代R4，实现动态分压调节。

总结

本文设计的电路通过二阶滤波与运放反馈，将PWM信号转换为高精度直流电压，结合二极管钳位实现快速动态调节。其优势在于结构简单、成本低廉，但需注意滤波器设计与二极管压降的影响。读者可根据实际需求调整参数，或结合软件算法进一步提升精度。

代码与仿真文件：可在GitHub仓库（示例链接）中获取基于LTspice的仿真模型。