Kas ir PWM?

PWM apzīmē impulsa platuma modulāciju. Jūs ieslēdzat un izslēdzat spriegumu ar noteiktu frekvenci, mainot ieslēgšanas-laika un izslēgšanas-laika attiecību, lai kontrolētu vidējo enerģijas piegādi. Tas arī viss. Pārējais ir tikai seku risināšana.

Paņemiet 12 V barošanu, kas vada LED, kam nepieciešams 3 V. Parasti jūs izmantotu rezistoru vai lineāro regulatoru, kas sadedzina 9 V kā siltumu. Stulbi atkritumi. Izmantojot PWM, jūs pietiekami ātri ieslēdzat un izslēdzat pilnu 12 V spriegumu, lai gaismas diodes termiskā masa to aprēķinātu vidēji. 25% darba cikla, kas nodrošina aptuveni 3 V ekvivalentu. Gaismas diode redz 12 V → 0 V → 12 V → 0 V pie varbūt 1 kHz, taču tā nevar tik ātri atdzist un uzkarst, tāpēc spilgtums paliek nemainīgs.

Biežumam ir nozīme. Pārāk lēns (zem 100 Hz), un parādās redzama mirgošana. Daži cilvēki redz mirgošanu līdz 200 Hz. Es parasti izmantoju gaismas diodes aptumšošanu ar 20 kHz, lai būtu droši,{6}}tā arī neļaujot to dzirdamam diapazonam, ja ir mehānisks savienojums. Pārslēgšanās ātrums ietekmē arī zaudējumus, bet mēs pie tā tiksim.

Matemātika: ja jūsu mēnešreizes ir T un ieslēgšanās laiks ir t, darba cikls D=t/T. Vienkārši. Piegādātā jauda ir aptuveni D × V_piegāde × I_slodze, atskaitot zudumus. Šie zaudējumi ir vieta, kur lietas kļūst interesantas.

Pirmais iemesls: efektivitāte. MOSFET piesātinājums samazinās varbūt par 0,1-0,2 V pie saprātīgām strāvām. MOSFET off ņem mikroampērus. Tātad jūs vai nu izkliedējat (0,1 V × strāva), vai būtībā neko. Salīdziniet to ar lineāro regulatoru, kas nepārtraukti samazina 9 V pie pilnas strāvas. Akumulatora darbības laika atšķirība dažos gadījumos ir 40-50x, nepārspīlējot.

Otrkārt: varat izmantot lētākus barošanas avotus. Nepieciešams vadīt 48 V motoru ar mainīgu ātrumu? Izmantojot analogo vadību, jums ir nepieciešams dārgs mainīgs 0-48 V barošanas avots. Ar PWM jūs izmantojat fiksētu 48 V barošanu (lēti) un MOSFET (arī lēti). Gatavs.

Trešais iemesls, par ko neviens nerunā: iepirkums. Mēģiniet iegūt labu mainīgu analogo apjomu. Pienācīgu ražotāju piegādes laiks ir vismaz 26 nedēļas. MOSFET? Viss ir Digikey noliktavā. Kad ražošana jums kliedz, tas ir svarīgāks par MK izmaksām.

PWM

EMI tevi pievils. Pirmo reizi, kad es izmantoju augstas -strāvas PWM plati (120 A līdzstrāvas motoram), tā nogalināja CAN kopni tajā pašā transportlīdzeklī. Nebojātās paketes-ir pilnīgi mirušas. Izrādījās, ka mans vārtu piedziņas zvans savienojās cauri šasijas zemei, izraisot 40 V tapas uz CAN diferenciāļa pāra. Pievienotas ferīta lodītes, pārvietoti lauki, joprojām bija problēmas. Galu galā bija jāpievieno pi filtrs motora barošanai un jāatdala iezemētās plaknes ar viena-punkta savienojumu. Paņēma trīs dēļa apgriezienus.

Vārtu piedziņa ir grūtāka, nekā izskatās. Jums ir nepieciešama zema pretestība no draivera līdz MOSFET vārtiem-izsekošanas induktivitāte ir svarīga pie liela di/dt. Esmu redzējis, ka 10nH trases induktivitāte izraisa 50 V sprieguma lēcienus pārslēgšanas laikā (V=L × di/dt). Tas ir pietiekami, lai caurdurtu 60 V nominālo MOSFET. Cilvēki strīdas par matemātiku, bet es to esmu redzējis tvērumā: 3A/ns pārslēdzot strāvu uz 10nH, iegūstat 30V smaile. Pievienojiet barošanas spriegumu, un jūs pārsniedzat absolūto maksimālo vērtējumu.

Pēc tam seko šaušana-H-tiltos. Jums OBLIGĀTI ir jāpaiet pārtraukumam starp zemā-puses FET izslēgšanu un augstākās-puses ieslēgšanu (un otrādi). Nulles pārtraukšanas laiks nozīmē, ka abi FET vienlaikus vada-tiešu īssavienojumu no padeves uz zemi caur FET kanāla pretestībām. 50A līdz 0,01 Ω divas reizes joprojām ir 1000 A mikrosekundēs pirms eksplozijas. Atteices režīms ir iespaidīgs: mazs krāteris silīcijā, FET pastāvīgi īss, izņem visu pārējo ķēdē.

Bet pārāk daudz miršanas laika un ķermeņa diode vada miršanas periodā. Korpusa diodes ir šausmīgi-augsts kritums uz priekšu (1-2V), lēna atjaunošanās. Jūs zaudējat efektivitāti un ražojat vairāk siltuma. Kompromiss parasti ir 100–500 ns, atkarībā no jūsu FET pārslēgšanās īpašībām.

Ikviena pirmais instinkts: augstākas frekvences=mazāki induktori/kondensatori=lētāki. Dažreiz taisnība. Taču pārslēgšanas zudumi palielinās līdz ar frekvenci,{4}}jūs zaudējat enerģiju ikreiz, kad notiek FET pāreja. ES pārslēgšana ≈ 0,5 × Vpiegāde × Islodze × (trise + tfall) × fsw. Divkāršs frekvence, divkāršs pārslēgšanas zudums.

Motora piedziņām parasti ir 20 kHz. Virs dzirdamajām mehāniskajām laika konstantēm ir vienalga. Bet klēpjdatora barošanas avotā ir redzams 300kHz-1MHz. Kāpēc? Mazāks magnētiķis. 1MHz induktors fiziski ir 1/50 daļa no 20 kHz induktora izmēra ar tādu pašu induktivitāti. Tas ir milzīgi pārnēsājamām ierīcēm. Kompromiss ir tāds, ka jums ir nepieciešami ātrāki FET (zemāks Qg), labāks izkārtojums, rūpīgāks draivera dizains.

Audio (D klases ampēri) darbojas 250kHz-1MHz. Zem 200 kHz, un jūs varat dzirdēt nesējfrekvenci kā augstu-toņu čīkstēšanu. Virs 1MHz un jūs sākat cīnīties ar AM radio traucējumiem. Lielākajai daļai dizainparaugu tiek iestatīts 400–500 kHz, zemas caurlaidības filtrs, iespējams, 50 kHz, lai noņemtu nesēju.

Reāls piemērs: vienu reizi veica 500kHz buck pārveidotāju, mēģināja pāriet uz 1MHz, lai samazinātu dēli. Efektivitāte samazinājās par 4% (88% līdz 84%). Tas ir 8 W papildu siltums ar 200 W padevi. Vajadzēja lielāku radiatoru, zaudēja visus vietas ietaupījumus no mazākā induktora. Palika pie 500kHz.

PWM

8-bitu PWM (256 soļi) izklausās labi, līdz mēģināt vienmērīgi aptumšot LED no 100% līdz 0%. Zem 10% darba cikla jūs saņemat redzamus spilgtuma pakāpienus. Cilvēka acs ir logaritmiska — daudz jutīgāka pret izmaiņām vājā apgaismojumā. Nepieciešami vismaz 12 biti (4096 soļi), lai nodrošinātu vienmērīgu aptumšošanu visā diapazonā.

Bet šeit ir āķis: 12 biti ar 20 kHz nozīmē, ka jums ir nepieciešams 20 kHz × 4096=81.92MHz taimera pulkstenis. Ne visi mikroši to spēj. Un, ja jums ir nepieciešami vairāki neatkarīgi PWM kanāli 12 bitu režīmā, jūs meklējat speciālas taimera perifērijas ierīces vai FPGA.

Risinājums: izmantojiet 8-bitu PWM, bet dinamiski pielāgojiet frekvenci. Pie liela spilgtuma palaist 20 kHz, pie zema spilgtuma samaziniet līdz 100 Hz. Nodrošina precīzākus soļus, kur tie ir nepieciešami. Bet tagad jums ir jārisina mainīgas frekvences EMI. Nekas nav bezmaksas.

Rūpnieciskie VFD (mainīgas frekvences piedziņas) pārslēdz simtiem ampēru pie 480 V maiņstrāvas. Vadības stratēģija ir sarežģītāka-telpas vektora modulācija, uz lauku-orientēta vadība, neatkarīgi no tā,-bet zem tās joprojām ir PWM pārslēgšana sešiem IGBT trīs-fāžu tiltā.

Atšķirības šajā mērogā:

Vārtu vadītājiem ir nepieciešams 15 V izolēts barošanas avots. Tie ir 6 izolēti barošanas avoti, kas peld ar dažādiem potenciāliem līdz 680 VDC (rektificēts 480 VAC). Katram vadītājam ir nepieciešama sava jauda, savs vārtu rezistors (parasti 0,5-2Ω), sava pārslodzes aizsardzība.

Nāves laiks palielinās līdz 2–5 µs, jo IGBT ir lēnāki nekā MOSFET

dv/dt filtri izejā, jo motora kabeļa kapacitāte un ātras pārslēgšanas malas izraisa milzīgas parastās -režīmu strāvas. Esmu izmērījis 20 A kopējā režīma strāvu uz 5 HP motora kabeļa, kas ir pilnīgi atsevišķi no motora strāvas. Tāpēc jums ir nepieciešami ekranēti kabeļi un atbilstošs zemējums.

Siltums: pat 2% zudumi pie 50kW ir 1kW siltuma. Ūdens dzesēšana ar plūsmas slēdžiem un temperatūras bloķēšanu. Ja dzesēšanas šķidruma plūsma nokrītas zem sliekšņa, regulators nekavējoties atspējo izejas. Redzētās sistēmas izdeg, jo kāds aizmirsa pārbaudīt dzesēšanas šķidruma līmeni.

Komponentu izvēle kļūst dīvaina. IGBT, kas paredzēts 100 A nepārtrauktai strāvai, var apstrādāt tikai 80 A 50 grādi apkārtējā temperatūrā, 60 A 70 grādi. Bet, iedarbinot lielu motoru, vairākas sekundes tiek ievilkta 6x nominālā strāva. Tātad jūs izvēlaties maksimālo izmēru, nevis vienmērīgu-stāvokli, pēc tam samaziniet temperatūru. Beigās ar 300A IGBT "100A" lietojumprogrammai. BOM izmaksas padara iepirkumu ļoti neapmierinātu.

STM32 taimeri: lielākajai daļai ir 16 bitu PWM, daži modeļi izmanto 32 bitu, taču jums tas reti ir nepieciešams. Svarīgākais ir salīdzināmo kanālu un papildu izvadu skaits. TIM1 un TIM8 F4 sērijām ir četri salīdzināmie kanāli, katrs ar papildu izvadiem un programmējamu beigu laika ievietošanu. Lieliski piemērots motora vadībai.

Problēma: visi viena taimera PWM kanāli ir sinhronizēti ar vienu un to pašu skaitītāju. Ja jums ir nepieciešamas neatkarīgas frekvences, jums ir nepieciešami atsevišķi taimeri. Un ir tikai tik daudz taimeru ar uzlabotām funkcijām. STM32F4 jūs saņemat TIM1, TIM8 uzlabotai vadībai. TIM2-5 pamata PWM. TIM9-14 ir 16 bitu bez beigu laika ģenerēšanas. Ja lietojumprogrammai ir nepieciešami vairāki izolēti PWM signāli, jūs ātri beigsit.

Ir redzēti dizaini, kuros tie{0}}sagrauj PWM programmatūrā, jo beidzās taimera kanāli. Šausmīga ideja. Džitter, CPU virsslodze, prioritātes inversija, kad citi pārtrauc uguni. Vienkārši samaksājiet papildu USD 2 par mikro ierīci ar vairākiem taimeriem vai izmantojiet ārēju PWM IC (piemēram, PCA9685). Jūsu nākotnes es jums pateiks paldies.

ESP32 ir 16 PWM kanāli, izmantojot LED PWM perifērijas ierīci. Izklausās lieliski, izņemot to, ka tie visi ir iegūti no viena 80 MHz APB pulksteņa un dalās grupās. Vai vēlaties dažādas frekvences? Cerams, ka tās ir veselu skaitļu attiecības. Arī izšķirtspēja samazinās, palielinoties frekvencei, jo tiek izmantots tas pats bāzes pulkstenis. Pie 20 kHz jūs saņemat 12 bitu, pie 40 kHz jūs esat samazinājies līdz 11 bitiem utt. Datu lapā tas nav skaidrs.

Izkliedētā{0}}spektra PWM: fiksētas frekvences vietā jūs to maināt ±10% nejauši. Izplata EMI plašākā frekvenču diapazonā, samazina maksimālās emisijas. Palīdz izturēt FCC/CE testēšanu bez lielas filtrēšanas aparatūras. Lielākajai daļai mūsdienu SMPS mikroshēmu tas ir iebūvēts. Cypress PSoC pat ļauj kontrolēt zāģa, trīsstūrveida, pseido{7}}izlases rakstu.

Interleaved PWM: palaidiet vairākus pārveidotājus no fāzes. Divi pārveidotāji ar 180 grādu fāzes nobīdi nozīmē, ka ieejas kondensators redz pusi no pulsācijas strāvas. Četri pārveidotāji ar 90 grādu fāzes nobīdi{4}}ceturtdaļas pulsācijas. Bet tagad jums ir nepieciešama precīza fāzes sinhronizācija starp kanāliem un slodzes līdzsvarošana, lai tie vienādi sadalītu strāvu. Parasti ir nepieciešama īpaša kontroliera IC, ja vien jūsu mikro ir pietiekami daudz resursu.

GaN FET var pārslēgties zem 10 n. Atver 10 MHz+ PWM frekvences,{4}}induktors kļūst mazs, gandrīz tikai PCB pēdas. Bet: paneļa izkārtojums ir kritisks, vārtu piedziņai ir jāpievērš nopietna uzmanība, jebkura induktivitāte izraisa milzīgu pārsniegumu. Nav paredzēts iesācējiem. Redzēts GaN dizaina gredzens līdz 2x VDD, jo kāds izmantoja standarta vārtu vadītāju ar 5 cm trases garumu. FET neizdzīvoja.

PWM

Lielākajai daļai lietu: 20 kHz, aparatūras taimeris PWM, 10-bitu izšķirtspēja. Pietiekami daudz motora vadībai un LED aptumšošanai. Pievienojiet vārtu draivera IC (minimālā 2A maksimālā strāva), zema ESR keramikas vāciņus tieši pie FET kanalizācijas, tauku iezemējuma plakni. Pārbaudiet pārslēgšanās viļņu formas ar tvērumu pirmajā prototipā, sagaidiet, ka tas atkārtosies vienu reizi.

Visam, kas pārsniedz 10A, nepārtraukta termiskā simulācija pirms izkārtojuma. Es izmantoju ANSYS, bet pat pamata FEA nozvejas lielākā daļa problēmu. Eksportējiet vara slāņus ar zudumiem kā siltuma avotus, iestatiet robežnosacījumus, pārbaudiet, vai kaut kas sasniedz 125 grādu savienojuma temperatūru pie maksimālās apkārtējās vides. Ja pārslēdzat vairāk nekā 50 W, parasti ir nepieciešami radiatori vai piespiedu gaiss.

Un pārbaudiet to temperatūrā. Telpas temperatūras testēšana var novērst 60% problēmu. Karstā-kaste 70 grādu apkārtējā vidē 8 stundas konstatē atlikušo-termisko noplūdi, vārtu sliekšņa nobīdi, kondensatora ESR palielināšanos. Man izmaksāja nedēļu vienu reizi, kad dizains darbojās labi pie 25 grādiem, bet FET nofiksējās pie 65 grādiem, jo es neņēmu vērā sliekšņa sprieguma temperatūras koeficientu.

Tas ir PWM. Vienkārša koncepcija, bezgalīgas detaļas.

Pēdējā lieta: ja veicat ar akumulatoru{0}}darbināmu PWM darbību, netērējiet lētus elementus. Vienreiz izmēģināti daži no-nosauktie litija iepakojumi,-nevarēja izturēt viļņojošo strāvu, slodzes laikā pazeminājās spriegums, visa sistēma bija apbrūnējusi. Pārslēgts uz pareizujonu litija akumulatorsmoduļi ar pienācīgu C{0}}vērtējumu, problēma pazuda. Papildu USD 15 par iepakojumu ietaupīja mani no trim atbalsta zvaniem nedēļā.