Apakah PWM?

PWM adalah singkatan dari Pulse Width Modulation. Anda menghidupkan dan mematikan voltan pada frekuensi tetap, menukar nisbah masa hidup{1}}kepada masa mati-untuk mengawal penghantaran kuasa purata. Itu sahaja. Selebihnya hanya berurusan dengan akibatnya.

Ambil bekalan 12V memacu LED yang memerlukan 3V. Biasanya anda akan menggunakan perintang atau pengawal selia linear, membakar 9V sebagai haba. Pembaziran bodoh. Dengan PWM anda menghidupkan dan mematikan 12V penuh dengan cukup pantas sehingga jisim terma LED meratakannya. 25% kitaran tugas memberikan anda kira-kira setara 3V. LED melihat 12V → 0V → 12V → 0V pada mungkin 1kHz, tetapi ia tidak boleh menyejukkan dan memanaskan secepat itu, jadi kecerahan kekal malar.

Kekerapan adalah penting. Terlalu perlahan (di bawah 100Hz) dan anda akan kelihatan berkelip. Sesetengah orang melihat kelipan sehingga 200Hz. Saya biasanya menjalankan pemalapan LED pada 20kHz semata-mata untuk selamat-juga menghalangnya daripada julat yang boleh didengar jika terdapat gandingan mekanikal. Kelajuan menukar juga mempengaruhi kerugian, tetapi kita akan melakukannya.

Matematik: jika tempoh anda ialah T dan pada-masa ialah t, kitaran tugas D=t/T. Mudah. Kuasa yang dihantar adalah kira-kira D × V_bekalan × I_load, tolak kerugian. Kerugian itu adalah di mana perkara menjadi menarik.

Sebab pertama: kecekapan. MOSFET dalam ketepuan menurun mungkin 0.1-0.2V pada arus yang munasabah. MOSFET dimatikan menarik mikroamp. Jadi anda sama ada melesap (0.1V × semasa) atau pada dasarnya tiada apa-apa. Bandingkan dengan pengawal selia linear yang menjatuhkan 9V pada arus penuh secara berterusan. Perbezaan hayat bateri adalah 40-50x dalam beberapa kes, tidak keterlaluan.

Kedua: anda boleh menggunakan bekalan kuasa yang lebih murah. Perlu memandu motor 48V pada kelajuan berubah-ubah? Dengan kawalan analog anda memerlukan bekalan 0-48V pembolehubah yang mahal. Dengan PWM anda menggunakan bekalan 48V tetap (murah) dan MOSFET (juga murah). Selesai.

Sebab ketiga tiada siapa yang bercakap tentang: perolehan. Cuba dapatkan bekalan analog pembolehubah yang baik dalam jumlah. Masa utama adalah minimum 26 minggu daripada pengeluar yang baik. MOSFET? Semuanya ada di Digikey. Apabila pengeluaran menjerit kepada anda, ini lebih penting daripada kos BOM.

PWM

EMI akan kacau anda. Kali pertama saya melakukan-papan PWM semasa tinggi (120A untuk motor DC), ia membunuh bas CAN pada kenderaan yang sama. Paket tidak rosak-mati sepenuhnya. Ternyata deringan pemacu pagar saya bergandingan melalui tanah casis, mendorong pancang 40V pada pasangan pembezaan CAN. Menambah manik ferit, mengalihkan tanah, masih mempunyai masalah. Akhirnya terpaksa menambah penapis pi pada bekalan motor dan memisahkan satah tanah dengan satu-sambungan titik. Mengambil tiga pusingan papan.

Pemanduan pintu lebih sukar daripada yang kelihatan. Anda memerlukan galangan rendah daripada pemacu anda ke get MOSFET-surih perkara kearuhan pada di/dt tinggi. Saya telah melihat 10nH surih aruhan menyebabkan pancang voltan 50V semasa pensuisan (V=L × di/dt). Itu sudah cukup untuk menembusi MOSFET berkadar 60V. Orang ramai berhujah tentang matematik tetapi saya telah melihatnya pada skop: 3A/ns menukar arus kepada 10nH memberi anda lonjakan 30V. Tambahkan voltan bekalan dan anda melebihi penarafan maksimum mutlak.

Kemudian terdapat tangkapan-dalam H-jambatan. Anda MESTI mempunyai masa mati antara mematikan-FET sisi rendah dan menghidupkan sisi-tinggi (dan sebaliknya). Masa mati sifar bermakna kedua-dua FET berjalan serentak-terus pendek dari bekalan ke tanah melalui rintangan saluran FET. 50A hingga 0.01Ω dua kali masih 1000A untuk mikrosaat sebelum perkara meletup. Mod kegagalan adalah menakjubkan: kawah kecil dalam silikon, FET menjadi pendek secara kekal, mengeluarkan semua yang lain dalam rantai.

Tetapi terlalu banyak masa mati dan diod badan dijalankan semasa tempoh mati. Diod badan adalah-penurunan ke hadapan yang tinggi (1-2V), pemulihan yang perlahan. Anda kehilangan kecekapan dan menjana lebih banyak haba. Trade-off biasanya 100-500ns masa mati bergantung pada ciri pensuisan FET anda.

Naluri pertama setiap orang: frekuensi tinggi=induktor/kapasitor lebih kecil=lebih murah. Kadang-kadang benar. Tetapi kehilangan penukaran meningkat dengan kekerapan-anda kehilangan tenaga setiap kali peralihan FET. ESwitching ≈ 0.5 × Vsupply × Muatan × (trise + tfall) × fsw. Gandakan kekerapan, gandakan kehilangan pensuisan.

Untuk pemacu motor, 20kHz adalah perkara biasa. Di atas yang boleh didengar, pemalar masa mekanikal tidak peduli. Tetapi dalam bekalan kuasa komputer riba anda melihat 300kHz-1MHz. kenapa? Magnet yang lebih kecil. Induktor 1MHz secara fizikalnya adalah 1/50th saiz 20kHz dengan kearuhan yang sama. Itu besar untuk peranti mudah alih. Trade-off ialah anda memerlukan FET yang lebih pantas (Qg rendah), susun atur yang lebih baik, reka bentuk pemandu yang lebih berhati-hati.

Audio (Amp Kelas D) menjalankan 250kHz-1MHz. Di bawah 200kHz dan anda boleh mendengar frekuensi pembawa sebagai rengekan-bernada tinggi. Di atas 1MHz dan anda mula bertarung dengan gangguan radio AM. Kebanyakan reka bentuk ditetapkan pada 400-500kHz, penapis laluan rendah pada mungkin 50kHz untuk mengeluarkan pembawa.

Contoh sebenar: melakukan penukar wang 500kHz sekali, cuba pergi ke 1MHz untuk mengecilkan papan. Kecekapan menurun 4% (88% hingga 84%). Itu adalah haba tambahan 8W dalam bekalan 200W. Memerlukan heatsink yang lebih besar, kehilangan semua penjimatan ruang daripada induktor yang lebih kecil. Kekal pada 500kHz.

PWM

PWM 8-bit (256 langkah) kedengaran baik sehingga anda cuba meredupkan LED dengan lancar daripada 100% kepada 0%. Di bawah 10% kitaran tugas anda mendapat langkah yang boleh dilihat dalam kecerahan. Mata manusia adalah logaritma-lebih sensitif kepada perubahan pada tahap cahaya rendah. Memerlukan minimum 12-bit (4096 langkah) untuk peredupan yang lancar merentasi julat penuh.

Tetapi inilah tangkapannya: 12-bit pada 20kHz bermakna anda memerlukan 20kHz × 4096=81.92jam pemasa MHz. Tidak semua mikro boleh melakukannya. Dan jika anda memerlukan berbilang saluran PWM bebas pada 12-bit, anda sedang melihat peranti pemasa khusus atau FPGA.

Penyelesaian: gunakan PWM 8-bit tetapi laraskan frekuensi secara dinamik. Pada kecerahan tinggi jalankan 20kHz, pada kecerahan rendah turun kepada 100Hz. Memberi anda langkah yang lebih baik di mana anda memerlukannya. Tetapi kini anda mempunyai EMI frekuensi berubah-ubah untuk ditangani. Tiada yang percuma.

VFD industri (pemacu frekuensi berubah-ubah) menukar ratusan amp pada 480VAC. Strategi kawalan adalah-modulasi vektor ruang yang lebih kompleks, kawalan berorientasikan medan-apa sahaja-tetapi di bawahnya masih PWM menukar enam IGBT dalam jambatan tiga-fasa.

Perbezaan pada skala ini:

Pemandu pintu pagar memerlukan bekalan terpencil 15V. Itulah 6 bekalan terpencil terapung pada potensi berbeza sehingga 680VDC (dibetulkan 480VAC). Setiap pemandu memerlukan kuasanya sendiri, perintang pintu sendiri (biasanya 0.5-2Ω), perlindungan arus lebih sendiri.

Masa tamat meningkat kepada 2-5µs kerana IGBT lebih perlahan daripada MOSFET

penapis dv/dt pada output kerana kemuatan kabel motor serta tepi pensuisan pantas menyebabkan arus mod biasa-yang besar. Saya telah mengukur 20A arus mod biasa-pada kabel motor 5HP, berasingan sepenuhnya daripada arus motor. Itulah sebabnya anda memerlukan kabel terlindung dan pembumian yang betul.

Terma: walaupun kehilangan 2% pada 50kW ialah 1kW haba. Penyejukan air dengan suis aliran dan interlock suhu. Jika aliran penyejuk jatuh di bawah ambang, pengawal melumpuhkan output serta-merta. Sistem yang dilihat terbakar kerana seseorang terlupa untuk memeriksa paras penyejuk.

Pemilihan komponen menjadi pelik. IGBT dinilai untuk berterusan 100A mungkin hanya mengendalikan 80A pada ambien 50 darjah, 60A pada 70 darjah . Tetapi menghidupkan motor besar menarik arus undian 6x selama beberapa saat. Jadi anda saiz untuk puncak, bukan stabil-keadaan, kemudian turunkan untuk suhu. Berakhir dengan IGBT 300A untuk aplikasi "100A". Kos BOM menyebabkan perolehan sangat tidak memuaskan.

Pemasa STM32: kebanyakannya mempunyai PWM 16-bit, sesetengah model pergi ke 32-bit tetapi anda jarang memerlukannya. Apa yang lebih penting ialah bilangan saluran perbandingan dan output pelengkap. TIM1 dan TIM8 pada siri F4 mempunyai empat saluran perbandingan setiap satu dengan output pelengkap dan sisipan masa mati boleh atur cara. Sesuai untuk kawalan motor.

Masalah: semua saluran PWM pada satu pemasa disegerakkan ke kaunter yang sama. Jika anda memerlukan frekuensi bebas, anda memerlukan pemasa berasingan. Dan hanya terdapat begitu banyak pemasa dengan ciri lanjutan. Pada STM32F4 anda mendapat TIM1, TIM8 untuk kawalan lanjutan. TIM2-5 untuk PWM asas. TIM9-14 adalah 16-bit tanpa penjanaan masa mati. Anda cepat kehabisan jika aplikasi memerlukan beberapa isyarat PWM terpencil.

Terlihat reka bentuk di mana mereka menggigit-membuang PWM dalam perisian kerana mereka kehabisan saluran pemasa. Idea yang dahsyat. Jitter, overhed CPU, penyongsangan keutamaan apabila yang lain mengganggu kebakaran. Cuma bayar tambahan $2 untuk mikro dengan lebih banyak pemasa atau gunakan IC PWM luaran (seperti PCA9685). Diri masa depan anda akan berterima kasih kepada anda.

ESP32 mempunyai 16 saluran PWM menggunakan peranti PWM LED. Bunyinya bagus, kecuali semuanya berasal daripada satu jam APB 80MHz dan pembahagi bahagian dalam kumpulan. Inginkan frekuensi yang berbeza? Harap ia adalah nisbah integer. Juga resolusi berkurangan apabila kekerapan meningkat kerana ia menggunakan jam asas yang sama. Pada 20kHz anda mendapat 12-bit, pada 40kHz anda turun kepada 11-bit, dsb. Lembaran Data tidak menjelaskan perkara ini dengan jelas.

Sebarkan-spektrum PWM: bukannya frekuensi tetap, anda mengagaknya ±10% secara rawak. Menyebarkan EMI merentasi julat frekuensi yang lebih luas, mengurangkan pelepasan puncak. Membantu lulus ujian FCC/CE tanpa banyak perkakasan penapisan. Kebanyakan cip SMPS moden mempunyai ini terbina dalam. Cypress PSoC malah membenarkan anda mengawal corak penditeran-gigi gergaji, segi tiga, pseudo-rawak.

PWM berjalin: jalankan berbilang penukar di luar fasa. Dua penukar pada anjakan fasa 180 darjah bermakna kapasitor input melihat separuh arus riak. Empat penukar pada anjakan fasa 90 darjah-seperempat daripada riak. Tetapi kini anda memerlukan penyegerakan fasa yang tepat antara saluran dan pengimbangan beban supaya ia berkongsi arus secara sama rata. Biasanya memerlukan IC pengawal khusus melainkan mikro anda mempunyai sumber yang mencukupi.

GaN FET boleh bertukar masuk di bawah 10ns. Membuka 10MHz+ PWM frekuensi-aruh menjadi kecil, hampir hanya surih PCB. Tetapi: susun atur papan adalah kritikal, pemacu pintu memerlukan perhatian yang serius, sebarang kearuhan menyebabkan overshoot besar-besaran. Bukan untuk pemula. Terlihat cincin reka bentuk GaN kepada 2x VDD kerana seseorang menggunakan pemandu pagar standard dengan panjang surih 5cm. FET tidak bertahan.

PWM

Untuk kebanyakan bahan: 20kHz, pemasa perkakasan PWM, peleraian 10-bit. Banyak untuk kawalan motor dan pemalapan LED. Tambahkan IC pemacu get (minimum arus puncak 2A), penutup seramik ESR rendah betul-betul di longkang FET, satah tanah gemuk. Semak bentuk gelombang pensuisan dengan skop pada prototaip pertama, jangkakan untuk berulang sekali.

Untuk apa-apa yang melebihi 10A, simulasi terma berterusan sebelum susun atur. Saya menggunakan ANSYS tetapi walaupun FEA asas menangkap kebanyakan masalah. Eksport lapisan kuprum dengan kehilangan sebagai sumber haba, tetapkan syarat sempadan, periksa sama ada apa-apa mencecah suhu simpang 125 darjah pada ambien maksimum. Biasanya memerlukan heatsink atau udara paksa jika anda menukar lebih daripada 50W.

Dan mengujinya pada suhu. Ujian suhu bilik menangkap mungkin 60% daripada isu. Kotak-panas pada ambien 70 darjah selama 8 jam menemui selebihnya-larian haba, anjakan ambang pintu, peningkatan ESR kapasitor. Kos saya seminggu sekali apabila reka bentuk berfungsi dengan baik pada 25 darjah tetapi FET terkunci pada 65 darjah kerana saya tidak mengambil kira pekali suhu voltan ambang.

Itu PWM. Konsep ringkas, butiran tidak berkesudahan.

Perkara terakhir: jika anda melakukan-bahan PWM berkuasa bateri, jangan murahkan sel. Mencuba beberapa pek litium tanpa-nama sekali-tidak dapat mengendalikan arus riak, voltan merosot di bawah beban, seluruh sistem menjadi perang. Bertukar kepada yang sepatutnyabateri litium ionikmodul dengan penarafan C-yang baik, masalah hilang. Tambahan $15 setiap pek menyelamatkan saya daripada tiga panggilan sokongan seminggu.