Hvat er PWM?

PWM stendur fyri Pulse Breiddarmodulering. Tú skiftir spenning tendra og sløkt við einum føstum frekvensi, broytir lutfallið av á{1}}tíð til off{2}}tíð fyri at stýra miðal streymflutningi. Tað er tað. Restin er bara at fáast við avleiðingarnar.

Tak eina 12V veitingar, sum koyrir eina LED, sum hevur tørv á 3V. Vanliga brúkti tú mótstøðu ella linjurættan regulator, brenna av 9V sum hita. Býtt burturkast. Við PWM tendrar tú alt 12V á og av nóg skjótt at termiska massan hjá LED í miðal er í miðal út út{7}% arbeiðsgongd gevur tær áleið 3V javnvirði. LED sær 12V → 0V → 12V → 0V við kanska 1kHz, men hon kann ikki køla niður og hita upp so skjótt, so ljósstyrkin heldur seg støðugan.

Títtleikin hevur týdning. Ov seinur (undir 100Hz) og tú fært sjónligt flimmer. Summi síggja flimmer upp til 200Hz. Eg plagi at koyra LED dimming við 20kHz bara fyri at vera tryggur{6}}also heldur tað burtur frá hoyrbara økinum um tað er nøkur mekanisk kopping. Skiftisferð ávirkar tap eisini, men tað koma vit til.

Støddfrøðin: um tín tíðarskeið er T og á{0}}tíð er t, arbeiðsgongd D=t/T. Einfalt. Power leverað er áleið D × V_veiting × I_load, minus tap. Tey tapini eru har tingini gerast áhugaverd.

Fyrsta orsøk: effektivitetur. MOSFET í metting fellur kanska 0,1-0,2V við rímiligum streymi. MOSFET av dregur mikroampur. So tú ert antin at spreingjast (0,1V × streym) ella í grundini einki. Samanber tað við ein linjurættan regulator, sum fellur 9V við fullum streymi áhaldandi. Battarílívsmunurin er 40-50x í summum førum, ikki yvirdrivið.

Í øðrum lagi: tú kanst brúka bíligari streymveitingar. Tørvar tær at koyra ein 48V motor við skiftandi ferð? Við analogum stýring hevur tú brúk fyri einum dýrum breyti 0-48V útboði. Við PWM brúkar tú eitt fast 48V veitingar (bíligt) og eitt MOSFET (eisini bíligt). Gjørdur.

Triðja orsøk tosar eingin um: innkeyp. Royn at fáa eina góða breyta analoga veiting í rúmd. Blýtíðir eru 26 vikur minsta frá ordiligum framleiðarum. MOSFETs? Alt er á goymslu á Digikey. Tá framleiðslan skríggjar á teg, hevur hetta meira týdning enn BOM kostar.

PWM

EMI fer at skrúva teg. Fyrstu ferð eg gjørdi eitt høgt- og núverandi PWM-borð (120A fyri ein DC-motor), drap tað CAN-bussin á sama akfari. Ikki skemtaðir pakkar-} heilt deyðir. Víst út porturdrivin ringing var at koppa gjøgnum chassis jørðina, og tað elvdi til 40V píkar á CAN differentialparinum. Lagt ferrit perlur afturat, fluttu grundir runt, høvdu enn mál. At enda mátti leggja eitt pi filtur til á motorveitingini og skilja jørðflogførini við einum sambandi við eitt samband við eitt-punkt samband. Tók trý borðrevur.

Gate drive er harðari enn tað sær út. Tú hevur brúk fyri lágari impedansu frá tínum bilførara til MOSFET-portrið-trace induktansina við høgum di/dt. Eg havi sæð 10nH av sporinduktansi elva til 50V spenningspíkar undir skifti (V= L × di/dt). Tað er nokk til at sláa ígjøgnum eina 60V rated MOSFET. Fólk kjakast um støddfrøðina men eg havi sæð tað á umfanginum: 3A/ns skifta streym til 10nH gevur tær 30V spike. Legg veitingarspenningin til og tú ert yvir absoluttu hámarksmetingina.

Síðan er tað skot-gjøgnum í H-brúgvum. Tú SKAL hava deyðatíð millum at sløkkja lág-síðuna FET og at venda á høga{4}}síðuna (og øvugt). Null deyðatíð merkir, at bæði FET-ar leiða samstundis- beinleiðis stutt frá veitingar til jørð gjøgnum FET-rásarmótstøðurnar. 50A gjøgnum 0,01Ω tvær ferðir er enn 1000A fyri mikrosekundini, áðrenn tingini bresta. Bilførishátturin er sjónligur: lítil gjógv í silikoninum, FET fer varandi stutt, tekur alt annað út í ketunum.

Men ov nógv deyðatíð og kroppsdiodan leiðir í deyða tíðarskeiðnum. Kropsdiodur eru ógvusligar-high framdropin (1{5}}2V), seinur bata. Tú missir effektivitetin og gevur meira hita. Avtøku er vanliga 100-500ns deyðatíð alt eftir skiftiseginleikunum hjá tínum FET.

Fyrsta instinktið hjá øllum: størri títtleiki=smærri induktorar/kondensatorar=bíligari. Onkuntíð satt. Men skiftistapið økist við frekvensi- tú missir orku hvørja ferð FET-skiftið. ES-norking ≈ 0,5 × Vsupply × Iload × (trise + fall) × fsw. Tvífalda frekvensin, tvífalda skiftitapið.

Til motordriv er 20kHz vanligt. Omanfyri hoyrbarar, mekaniskar tíðarkonstantar eru ikki ørkymlaðar. Men í farteldustreymsveiting sært tú 300kHz-1MHz. Hví? Smærri magnetikkur. Ein 1MHz induktorur er fysiskt 1/50. stødd á einum 20kHz ein við somu induktansu. Tað er risa stórt fyri flytiligar tól. Ferð er tú hevur brúk fyri skjótari FETs (lægri Qg), betri uppseting, meira varlig bilførarasniðgeving.

Ljóð (Flokkur D forsterkar) koyrir 250kHz{{4}1MHz. Niðanfyri 200kHz og tú hoyrir burðarfrekvensin sum eitt høgt{9}} pitched hvølp. Omanfyri 1MHz og tú byrjar at berjast við AM útvarpsinntriv. Flestu snið seta seg á 400-500kHz, lágpass filtur við kanska 50kHz fyri at taka burðarevnið burtur.

Veruligt dømi: gjørdi ein 500kHz buck umformara einaferð, royndi at fara til 1MHz at minka um borðið. Virksemið minkaði 4% (88% til 84%). Tað er 8W eyka hiti í 200W veitingar. Tørvar sær størri hitakøli, misti alla rúmdarsparingina frá tí minni induktorinum. Gist á 500kHz.

PWM

8-bit PWM (256 trin) ljóðar fínt, til tú roynir at dimma eina LED slætt frá 100% til 0%. Niðanfyri 10% arbeiðsgongd fært tú sjónlig stig í ljósstyrki. Menniskjalig eyga er logaritmiskt-nógv meira viðkvæmt fyri broytingum á lágum ljósstigum. Tørvar 12-bita (4096 stig) minst til slætta dimming tvørtur um alt økið.

Men her er veiðan: 12-bita við 20kHz merkir at tú hevur brúk fyri 20kHz × {{3}MHz tíðarklokku. Tað kunnu ikki allar mikros ikki gera. Og um tú hevur brúk fyri fleiri sjálvstøðugum PWM rásum við 12-bita, so hyggur tú at dedikeraðum tíðarperiferum ella einum FPGA.

Loysn: brúka 8-bit PWM men stilla frekvensin dynamiskt. Við høgum ljósstyrkirenning 20kHz, við lágum ljósstyrkisfalli til 100Hz. Gevur tær fínari stig, har tú hevur brúk fyri teimum. Men nú hevur tú breytarfrekvens EMI at fáast við. Einki er ókeypis.

Ídnaðar VFDs (broytilig frekvensdriv) skifta hundraðtals amps við 480VAC. Stýrisstrategiin er meira kompleksi-rúmdarvektormodulering, felt{{3}orienterað stýring, hvat-men undir tí er enn PWM, sum skiftir seks IGBT í eini trý{5}}fasabrúgv.

Munur á hesum støði:

Portringsførarar hava brúk fyri 15V isoleraðum amboðum. Tað er 6 einstøk amboð, sum flóta við ymiskum potentialum upp til 680VDC (rættað 480VAC). Hvør bilførari hevur brúk fyri sínum egna valdi, sínum egna porturmótstøðu (0,5-2Ω typiskur), síni egnu yvirstreymsverju.

Deyðtíð økist til 2-5μs, tí IGBT eru hægri enn MOSFETs

dv/dt filtur á útganginum tí motorkaðalkapasitansi pluss skjótt skifti kantar elvir til risa vanligar -mode streymar. Eg havi mátað 20A av vanligum-mode streymi á einum 5HP motorkaðali, heilt skildur frá motorstreyminum. Tí hevur tú brúk fyri vardum kaðalum og rættari jørðilding.

Termiskt: enntá 2% tap við 50kW er 1kW av hita. Vatnkøling við streymskiftum og hitasamspæli. Um kølievnisstreymurin fellur undir markið, sløkkir stýriskipan útflutning beinanvegin. Sæð skipanir brenna upp, tí onkur gloymdi at kanna kølievnisstøðið.

Komponentval gerst undarligt. Ein IGBT, sum er mettur fyri 100A, kundi bert handfara 80A við 50 stig umhvørvi, 60A við 70 stig . Men at byrja ein stóran motor dregur 6x rated streym í fleiri sekund. So støddir tú fyri topp, ikki støðugur-statur, síðani avbera fyri hita. Enda við einum 300A IGBT til "100A" forrit. BOM kostnaðurin ger innkeypið sera ólukkuligt.

STM32 tíðir: flestu hava 16-bita PWM, sum modellir fara til 32-bita men tú hevur sjáldan brúk fyri tí. Tað, sum hevur meira týdning, er talið av samanberandi rásum og komplementerandi úttøkum. TIM1 og TIM8 á F4-røðini hava fýra samanbera rásir hvør við komplementerandi úttøkum og programmerandi deyðtíðarinnseting. Perfekt til motorstýring.

Trupulleiki: allar PWM-rásirnar á einum tíðarætlan eru synkroniseraðar til sama disk. Um tú hevur brúk fyri sjálvstøðugum frekvensum, so hevur tú brúk fyri serstøkum tíðarætlanum. Og tað eru bara so nógvir tímar við framkomnum funkum. Á STM32F4 fært tú TIM1, TIM8 til framkomna stýring. TIM2-5 fyri grundleggjandi PWM. TIM9-14 eru 16-bita uttan deyðtíðarframleiðslu. Tú rennur skjótt út, um forritið hevur tørv á fleiri einstøkum PWM-signalum.

Sæð snið har tey bita{0}}bang PWM í ritbúnaði tí tey rann út av tíðarrásum. Ógvusligt hugskot. Jitter, CPU yvirhøvur, prioritet inversión tá onnur avbjóða eld. Gjalda bara eyka $2 fyri ein mikro við fleiri tíðarætlanum ella brúka eitt eksternt PWM IC (sum PCA9685). Títt framtíðar eg fer at takka tær.

ESP32 hevur 16 PWM rásir við at brúka LED PWM útjaðaran. Ljóðar flott, uttan at teir allir eru avleiddir av eini 80MHz APB klokku og deila deilisorar í bólkum. Vilt tú hava ymiskar frekvensir? Vónandi eru tey heiltalslutfall. Eisini minkar upploysnin, so hvørt sum frekvensurin økist, tí hon brúkar somu grundklokku. Við 20kHz fært tú 12-bita, við 40kHz ert tú niður í 11-bita, osfr. Dátuark ger hetta ikki týðiligt.

Breið-}}} PWM: ístaðin fyri fastan frekvens, ditir tú tað ±10% tilvildarliga. Spreiðir EMI tvørtur um eitt breiðari frekvensøki, minkar um toppútlátið. Hjálpir til FCC/CE-royndir uttan so nógv filtrerandi hardware. Flestu nútímans SMPS-flísar hava hetta innbygt. Cypress PSoC letur teg enntá stýra dithering mynstrinum{{6}sawtooth, tríkantað, pseudo{{7}tilvildarligt.

Samlað PWM: koyra fleiri umformarar úr fasu. Tveir umformarar við 180 stig fasuskifti merkir, at input-kondensatorurin sær helvtina av ripplestreyminum. Fýra umformarar við 90 stig fasuskifti-kvarteri ripplin. Men nú hevur tú brúk fyri nágreiniligari fasusamskipan millum rásir og lastjavning so tey deila streym javnt. Vanliga hevur brúk fyri einum dedikeraðum stýringar-IC, uttan so at tín mikro hevur nóg mikið av tilfeingi.

GaN FETs kunnu skifta inn undir 10ns. Opnar upp 10MHz+ PWM frekvensir-induktorar gerast smáir, næstan bara PCB spor. Men: borðuppseting er kritisk, porturkoyring hevur brúk fyri álvarsligum uppmerksemi, ein og hvør induktansa elvir til massivan yvirskot. Ikki fyri byrjarar. Sæð ein GaN designring til 2x VDD tí onkur brúkti ein vanligan gátt bilførara við 5cm av sporlongd. FET yvirlivdi ikki.

PWM

Fyri tað mesta: 20kHz, hardware timer PWM, 10-bit upploysn. Nógv til motorstýring og LED dimming. Legg ein porturførara IC (2A toppstreymsminstamark), lág-ESR keramikkhettur beint við FET-rennuna, feittplantuplanið. Kanna skiftisbylgjuformirnar við einum umfatandi á fyrstu prototypuni, vænta at endurtaka einaferð.

Fyri alt omanfyri 10A samfeld, hitauppgerð áðrenn uppseting. Eg brúki ANSYS men enntá grundleggjandi FEA fangar flestu trupulleikar. Útflyt koparløgini við tapi sum hitakeldur, seta markviðurskifti, kanna, um nakað rakar 125 stig stykkis temp við max umhvørvi. Vanliga hevur brúk fyri hitaeskjunum ella tvingsilsluft, um tú skiftir meira enn 50W.

Og royn tað við hita. Room tempkanning av veiðu kanska 60% av málum. Heitt-boks við 70 stiga umhvørvi í 8 tímar finnur restini-termiska rýmda, porturmarksskifti, kondensator ESR økist. Kostna mer i viku einu sinni thegar eitt design virki i fínt a 25 stigum en FET lat upp a 65 stigi tvi eg var ekki roknskap fyrir marksspenningshitastuðul.

Hatta er PWM. Einfalt hugtak, endaleysar detaljur.

Seinast: um tú gert battarí-driferað PWM ting, so ikki bíliga út á kyknur. Royndi sum eingin-navn litium pakkar einaferð- kundi ikki handfara ripplestreymin, spenningsslagt undir last, heil skipan brúnkað út. Skift til rættionlitiumbattarímodul við ordiligum C-tingi, hvarv trupulleikin. Teir 15 dollararnir eyka fyri hvønn pakka sparaði meg frá trimum stuðulssamrøðum um vikuna.