Kio estas PWM?

PWM signifas Pulse Width Modulation. Vi ŝaltas kaj malŝaltas tension je fiksa frekvenco, ŝanĝante la rilatumon de la-tempo al malŝalta-tempo por kontroli averaĝan potencon. Jen ĝi. La resto nur traktas la sekvojn.

Prenu provizon de 12V kondukante LED kiu bezonas 3V. Kutime vi uzus rezistilon aŭ linearan reguligilon, forbruligu 9V kiel varmegon. Stulta malŝparo. Kun PWM vi ŝaltas kaj malŝaltas la plenan 12V sufiĉe rapide por ke la termika maso de la LED averaĝas ĝin . 25% deĵorciklo donas al vi proksimume 3V ekvivalenton. La LED vidas 12V → 0V → 12V → 0V ĉe eble 1kHz, sed ĝi ne povas malvarmiĝi kaj varmiĝi tiel rapide, do brileco restas konstanta.

Ofteco gravas. Tro malrapida (sub 100Hz) kaj vi ricevas videblan flagreton. Iuj homoj vidas flagradon ĝis 200Hz. Mi kutime funkciigas LED-malklarigon je 20kHz nur por esti sekura-ankaŭ tenas ĝin ekster la aŭdebla intervalo se estas ia mekanika kuplado. Ŝanĝi rapidecon ankaŭ influas perdojn, sed ni atingos tion.

La matematiko: se via periodo estas T kaj je-tempo estas t, devociklo D=t/T. Simpla. Potenco liverita estas proksimume D × V_provizo × I_ŝarĝo, minus perdoj. Tiuj perdoj estas kie aferoj fariĝas interesaj.

Unua kialo: efikeco. MOSFET en saturiĝo falas eble 0.1-0.2V ĉe akcepteblaj fluoj. MOSFET for tiras mikroampojn. Do vi aŭ disipas (0.1V × fluo) aŭ esence nenio. Komparu tion al lineara reguligilo faliganta 9V ĉe plena kurento senĉese. Bateria vivdiferenco estas 40-50x en iuj kazoj, ne troiga.

Due: vi povas uzi pli malmultekostajn elektroprovizojn. Ĉu vi bezonas veturi 48V-motoron je ŝanĝiĝema rapido? Kun analoga kontrolo vi bezonas multekostan varian provizon de 0-48V. Kun PWM vi uzas fiksan provizon de 48V (malkara) kaj MOSFET (ankaŭ malmultekosta). Farita.

Tria kialo, pri kiu neniu parolas: akiro. Provu akiri bonan varian analogan provizon laŭ volumeno. Plumbotempoj estas minimume de 26 semajnoj de decaj fabrikantoj. MOSFEToj? Ĉio estas en stoko ĉe Digikey. Kiam produktado krias al vi, ĉi tio gravas pli ol la BOM-kosto.

PWM

EMI ŝraŭbos vin. Unuafoje mi faris altan-nuntan PWM-tabulon (120A por DC-motoro), ĝi mortigis la CAN-buson sur la sama veturilo. Ne koruptitaj pakoj-tute mortaj. Montriĝis, ke mia pordega veturado sonorado kuniĝis tra la ĉasiogrundo, induktante 40V-pikilojn sur la CAN diferenciala paro. Aldonitaj feritaj bidoj, movis grundojn, ankoraŭ havis problemojn. Fine devis aldoni pi-filtrilon sur la motorprovizo kaj apartigi la terplanojn per unu-punkta konekto. Prenis tri tabulrevojn.

Pordega stirado estas pli malfacila ol ĝi aspektas. Vi bezonas malaltan impedancon de via ŝoforo ĝis la MOSFET-pordego-spura induktanco gravas ĉe alta di/dt. Mi vidis 10nH da spurinduktanco kaŭzi 50V tensiojn dum ŝaltado (V=L × di/dt). Tio sufiĉas por trapiki 60V taksitan MOSFET. Homoj kverelas pri la matematiko sed mi vidis ĝin sur la amplekso: 3A/ns ŝanĝanta fluon en 10nH donas al vi 30V pikilon. Aldonu la provizan tension kaj vi superas la absolutan maksimuman takson.

Poste estas pafado-en H-pontoj. Vi DEVAS havi morttempon inter malŝaltado de la malalta-flanka FET kaj turnado de la alta-flanko (kaj inverse). Nul morta tempo signifas, ke ambaŭ FET-oj kondukas samtempe-rekta fuŝkontakto de provizo al grundo tra la FET-kanalaj rezistoj. 50A tra 0.01Ω dufoje estas ankoraŭ 1000A dum la mikrosekundoj antaŭ ol aferoj eksplodas. La malsukcesa reĝimo estas sensacia: malgranda kratero en la silicio, FET iĝas konstante mallonga, elprenas ĉion alian en la ĉeno.

Sed tro da morta tempo kaj la korpo diodo kondukas dum la morta periodo. Korpaj diodoj estas terura-alta antaŭenfalo (1-2V), malrapida reakiro. Vi perdas efikecon kaj generas pli da varmo. Komerco estas kutime 100-500ns morta tempo depende de la ŝanĝaj trajtoj de via FET.

Ĉies unua instinkto: pli alta frekvenco=pli malgrandaj induktoroj/kondensiloj=pli malmultekostaj. Kelkfoje vera. Sed ŝanĝaj perdoj pliiĝas kun ofteco-vi perdas energion ĉiufoje kiam la FET transiras. ESŝaltado ≈ 0,5 × Vprovizo × Iŝarĝo × (trise + tfall) × fsw. Duobligu la frekvencon, duobligu la ŝanĝan perdon.

Por motorveturadoj, 20kHz estas ofta. Supre aŭdeblaj, mekanikaj tempokonstantoj ne zorgas. Sed en tekkomputila elektroprovizo oni vidas 300kHz-1MHz. Kial? Pli malgranda magneto. 1MHz-induktoro estas fizike 1/50-a la grandeco de 20kHz unu kun la sama induktanco. Tio estas grandega por porteblaj aparatoj. Kompromo estas, ke vi bezonas pli rapidajn FETojn (pli malaltaj Qg), pli bonan aranĝon, pli zorgan ŝoforan dezajnon.

Aŭdio (klaso D amperoj) funkcias 250kHz-1MHz. Sub 200kHz kaj vi povas aŭdi la portantan frekvencon kiel alta-plorado. Super 1MHz kaj vi komencas batali kun AM-radia interfero. Plej multaj dezajnoj ekloĝas ĉe 400-500kHz, malalt-pasa filtrilo ĉe eble 50kHz por forigi la portanton.

Vera ekzemplo: faris 500kHz-buk-konvertilon unufoje, provis iri al 1MHz por malgrandigi la tabulon. Efikeco falis 4% (88% al 84%). Tio estas 8W kroma varmo en provizo de 200W. Bezonis pli grandan varmoradiilon, perdis ĉiujn spacŝparojn de la pli malgranda induktoro. Restis ĉe 500kHz.

PWM

8-bit PWM (256 paŝoj) sonas bone ĝis vi provas malfortigi LED glate de 100% ĝis 0%. Sub 10% devociklo vi ricevas videblajn paŝojn en brileco. Homa okulo estas logaritma - multe pli sentema al ŝanĝoj ĉe malaltaj lumniveloj. Bezonas 12-bitajn (4096 ŝtupojn) minimumon por glata malhelado tra la tuta gamo.

Sed jen la kapto: 12-bita je 20kHz signifas, ke vi bezonas 20kHz × 4096=81.92MHz-horloĝon. Ne ĉiuj mikrofonoj povas fari tion. Kaj se vi bezonas multoblajn sendependajn PWM-kanalojn je 12-bitoj, vi rigardas dediĉitajn tempigilojn ekstercentrajn aŭ FPGA.

Solvo: uzu 8-bitan PWM sed ĝustigu la frekvencon dinamike. Ĉe alta brilo kuru 20kHz, ĉe malalta brileco malkresku ĝis 100Hz. Donas al vi pli bonajn paŝojn kie vi bezonas ilin. Sed nun vi havas ŝanĝiĝeblan EMI por trakti. Nenio estas senpaga.

Industriaj VFD-oj (ŝanĝifrekvencaj veturadoj) ŝanĝas centojn da amperoj ĉe 480VAC. La kontrolstrategio estas pli kompleksa-spaca vektora modulado, kampa-orientita kontrolo, kio ajn-sed sub ĝi ankoraŭ estas PWM ŝanĝanta ses IGBT-ojn en trifaza ponto.

Diferencoj je ĉi tiu skalo:

Pordegaj ŝoforoj bezonas izolitajn provizojn de 15V. Tio estas 6 izolitaj provizoj flosantaj ĉe malsamaj potencialoj ĝis 680VDC (ĝustigita 480VAC). Ĉiu ŝoforo bezonas sian propran potencon, sian propran pordegan rezistilon (0.5-2Ω tipa), sian propran superfluan protekton.

Morttempo pliiĝas al 2-5µs ĉar IGBToj estas pli malrapidaj ol MOSFEToj

dv/dt filtras sur la eligo ĉar motorkablokapacitanco plus rapidaj ŝanĝaj randoj kaŭzas grandegajn komunajn-reĝimajn fluojn. Mi mezuris 20A da komuna-reĝima kurento sur 5HP-motorkablo, tute aparta de la motora kurento. Tial vi bezonas ŝirmitajn kablojn kaj taŭgan teron.

Termika: eĉ 2% perdo ĉe 50kW estas 1kW da varmo. Akvomalvarmigo per fluŝaltiloj kaj temperaturinterblokoj. Se fridigaĵfluo falas sub sojlo, regilo malfunkciigas produktaĵojn tuj. Viditaj sistemoj brulas ĉar iu forgesis kontroli la fridigan nivelon.

Elekto de komponantoj fariĝas stranga. IGBT taksita por 100A kontinua povus nur manipuli 80A je 50 gradoj ĉirkaŭe, 60A je 70 gradoj. Sed ekfunkciigo de granda motoro tiras 6x kurenton dum pluraj sekundoj. Do vi grandeco por pinto, ne ekvilibra-stato, tiam malpliigi por temperaturo. Finu kun 300A IGBT por "100A" aplikaĵo. La BOM-kosto faras akiron tre malfeliĉa.

STM32-tempigiloj: la plej multaj havas 16-bitan PWM, iuj modeloj iras al 32-bit sed vi malofte bezonas ĝin. Kio pli gravas estas la nombro da komparaj kanaloj kaj komplementaj eliroj. TIM1 kaj TIM8 sur la F4-serio havas kvar komparkanalojn ĉiu kun komplementaj produktaĵoj kaj programebla morta tempo-enmeto. Perfekta por motorkontrolo.

Problemo: ĉiuj PWM-kanaloj sur unu tempigilo estas sinkronigitaj al la sama nombrilo. Se vi bezonas sendependajn frekvencojn, vi bezonas apartajn tempigilojn. Kaj ekzistas nur tiom da temporiziloj kun altnivelaj funkcioj. Sur la STM32F4 vi ricevas TIM1, TIM8 por altnivela kontrolo. TIM2-5 por baza PWM. TIM9-14 estas 16-bita sen morttempa generacio. Vi elĉerpiĝas rapide se la aplikaĵo bezonas plurajn izolitajn PWM-signalojn.

Vidis dezajnojn, kie ili mordis-PWM en programaro ĉar ili elĉerpigis tempigilojn. Terura ideo. Tremo, CPU-superkompeto, prioritata inversio kiam aliaj interrompas fajron. Nur pagu la kromajn 2 USD por mikrofono kun pli da temporiziloj aŭ uzu eksteran PWM IC (kiel PCA9685). Via estonta memo dankos vin.

ESP32 havas 16 PWM-kanalojn uzantajn la LED-PWM-ekscentralon. Sonas bonege, krom ili ĉiuj devenas de unu 80MHz APB-horloĝo kaj kundividas dividantojn en grupoj. Ĉu vi volas malsamajn frekvencojn? Mi esperas, ke ili estas entjerproporcioj. Ankaŭ la rezolucio malpliiĝas kiam frekvenco pliiĝas ĉar ĝi uzas la saman bazan horloĝon. Je 20kHz vi ricevas 12-bitojn, je 40kHz vi estas malsupren al 11-bit, ktp. Datenfolio ne evidentigas tion.

Disvastigita-spektra PWM: anstataŭ fiksa frekvenco, vi malklarigas ĝin ±10% hazarde. Disvastigas la EMI tra pli larĝa frekvenca gamo, reduktas pintajn emisiojn. Helpas trapasi FCC/CE-testadon sen tiom da filtra aparataro. La plej multaj modernaj SMPS-fritoj havas ĉi tion enkonstruita. Cypress PSoC eĉ ebligas al vi kontroli la diseran ŝablonon-sgildenta, triangula, pseŭdo-hazarda.

Interplektita PWM: rulu plurajn konvertilojn malfazon. Du transformiloj ĉe 180-grada fazoŝanĝo signifas, ke la eniga kondensilo vidas duonon de la ondeta fluo. Kvar transformiloj ĉe 90-grada fazoŝanĝo-kvarono de la ondeto. Sed nun vi bezonas precizan fazan sinkronigon inter kanaloj kaj ŝarĝoekvilibron, por ke ili dividu fluon egale. Kutime bezonas dediĉitan regilon IC krom se via mikrofono havas sufiĉajn rimedojn.

GaN FEToj povas ŝanĝi en malpli ol 10ns. Malfermas 10MHz+ PWM-frekvencojn-induktoroj fariĝas etaj, preskaŭ nur PCB-spuroj. Sed: tabulo aranĝo estas kritika, pordego stirado bezonas seriozan atenton, ajna induktanco kaŭzas masivan superfluon. Ne por komencantoj. Vidis GaN-dezajnan ringon al 2x VDD ĉar iu uzis norman pordegan ŝoforon kun 5cm da spurlongo. La FET ne pluvivis.

PWM

Por plej multaj aĵoj: 20kHz, aparatara tempigilo PWM, 10-bit rezolucio. Multe por motorregado kaj LED-malklarigado. Aldonu pordegan ŝoforon IC (2A-pinta nuna minimumo), malalt-ESR-ceramikajn ĉapojn ĝuste ĉe la FET-drenilo, dika grunda ebeno. Kontrolu la ŝanĝantajn ondformojn kun amplekso sur la unua prototipo, atendu ripeti unufoje.

Por io super 10A kontinua, termika simulado antaŭ aranĝo. Mi uzas ANSYS sed eĉ baza FEA kaptas plej multajn problemojn. Eksportu la kuprajn tavolojn kun perdoj kiel varmofontoj, starigu limkondiĉojn, kontrolu ĉu io trafas 125-gradan krucvojon ĉe maksimuma ĉirkaŭa temperaturo. Kutime bezonas varmodisiplojn aŭ malvolan aeron se vi ŝanĝas pli ol 50W.

Kaj provu ĝin ĉe temperaturo. Ĉambra temptestado kaptas eble 60% de problemoj. Varma-kesto je 70 gradoj ĉirkaŭe dum 8 horoj trovas la reston-termika forkurento, pordega sojloŝanĝo, kondensilo ESR pliiĝo. Kostis al mi unu semajnon unufoje, kiam dezajno funkciis bone je 25 gradoj, sed la FET fiksiĝis je 65 gradoj, ĉar mi ne kalkulis pri sojla tensiotemperaturokoeficiento.

Tio estas PWM. Simpla koncepto, senfinaj detaloj.

Lasta afero: se vi faras baterio-funkciigitajn PWM-aĵojn, ne malmultekompetu ĉelojn. Unufoje provis iujn sen-litiajn pakojn-ne povis pritrakti la ondulan fluon, tensio malkreskis sub ŝarĝo, tuta sistemo bruniĝis. Ŝaltita al konvenajona litiobateriomoduloj kun deca C-takso, problemo malaperis. La kromaj $ 15 per pako savis min de tri subtenaj vokoj semajne.