Hvat er PWM?

PWM stendur fyri Pulsbreiddarmodulering. Tú tendrar og sløkkir spenning við einum føstum frekvensi, og broytir lutfallið millum tendra-tíð og sløkk-tíð fyri at stýra miðal streymveitingini. Tað er tað. Restin er bara at fáast við avleiðingarnar.

Tak eina 12V veitingar koyrir eina LED sum hevur brúk fyri 3V. Vanliga hevði tú brúkt ein mótstøðu ella linjurættan regulator, brenna av 9V sum hita. Býtt burturkast. Við PWM tendrar og sløkkir tú alt 12V nóg skjótt, at hitamassan hjá LED'inum miðaltal út. 25% arbeiðsgongdin gevur tær áleið 3V javnvirði. LED'in sær 12V → 0V → 12V → 0V við kanska 1kHz, men hon kann ikki køla seg niður og hita upp so skjótt, so ljósstyrkin heldur seg støðugan.

Títtleiki 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-heldur eisini tað burtur frá hoyrbara økinum um tað er nøkur mekanisk kopping. Skifta ferð ávirkar eisini tap, men tað koma vit til.

Støddfrøðin: um tín tíðarskeið er T og on-tíð er t, so er arbeiðsgongdin D=t/T. Einfalt. Effektin, sum verður leverað, er áleið D × V_veiting × I_last, minus tap. Tey tapini eru har tingini gerast áhugaverd.

Fyrsta orsøk: effektivitetur. MOSFET í mettingardropum kanska 0,1-0,2V við rímiligum streymi. MOSFET av dregur mikroforsterkarar. So tú antin spreiðir (0,1V × streymur) ella í grundini einki. Samanber tað við ein linjurættan regulator, sum sleppur 9V við fullum streymi áhaldandi. Battarílívsmunurin er 40-50x í summum førum, ikki yvirdrivin.

Í øðrum lagi: tú kanst brúka bíligari streymveitingar. Tørvar tær at koyra ein 48V motor við skiftandi ferð? Við analogari stýring hevur tú brúk fyri dýrari skiftandi 0-48V veitingar. Við PWM brúkar tú fasta 48V veitingar (bíligt) og MOSFET (eisini bíligt). Gjørdur.

Triðja orsøkin eingin tosar um: útvegan. Royn at fáa eina góða skiftandi analoga veiting í rúmd. Leiðslutíðirnar eru 26 vikur í minsta lagi frá virðiligum framleiðarum. MOSFET? Alt er á goymslu hjá Digikey. Tá framleiðslan skriðar á teg, hevur hetta størri týdning enn BOM kostnaðurin.

PWM

EMI fer at skrúva teg. Fyrstu ferð eg gjørdi eitt há-streym PWM kort (120A til ein DC motor), drap tað CAN bussin á sama akfari. Ikki spiltir pakkar-heilt deyðir. Vísti seg at mítt porturdriv ringing var kopling gjøgnum chassis jørðina, induseraði 40V píkar á CAN differentialparinum. Lagt ferritperlur afturat, flutt grundarlag runt, hevði enn mál. Kortini mátti leggja eitt pi filtur á motorveitingina og skilja jarðfløturnar við einum-punktssambandi. Tók tríggjar borðsnúningar.

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

Síðani er skjóta-ígjøgnum í H-brúgvum. Tú SKAL hava deyðtíð millum at sløkkja FET á lágu-síðuni og at tendra á høgu-síðuni (og øvugt). Null deyðtíð merkir, at bæði FET-ini leiða samstundis-beinleiðis stutt frá veiting til jørð gjøgnum FET-rásarmótstøðurnar. 50A gjøgnum 0,01Ω tvær ferðir er framvegis 1000A fyri mikrosekundini áðrenn tingini bresta. Bilurin er spektakulærur: lítil krater í silikon, FET fer varandi stutt, tekur alt annað úr ketunum.

Men ov nógv deyðtíð og kropsdiodan leiðir í deyða tíðarskeiðnum. Kropsdiodur eru ógvusligar-høgt framfall (1-2V), sein endurnýggjan. Tú missir effektivitetin og framleiðir meira hita. Avtalan er vanliga 100-500ns deyðstíð alt eftir skiftiseginleikunum hjá tínum FET.

Fyrsta instinktið hjá øllum: hægri frekvensur=smærri induktorar/kondensatorar=bíligari. Onkuntíð satt. Men skiftitapið økist við títtleikanum-tú missir orku hvørja ferð FET skiftið. ESskifti ≈ 0,5 × Vtilboð × Ilast × (trise + tfall) × fsw. Tvífalda títtleikan, tvífalda skiftitapið.

Fyri motordriv er 20kHz vanligt. Omanfyri hoyrbar, mekaniskar tíðarkonstantar eru ikki ørkymlaðar. Men í farteldu streymveiting sært tú 300kHz-1MHz. Hví? Minni magnet. Ein 1MHz induktorur er fysiskt 1/50 partur av støddini á einum 20kHz við somu induktansu. Hatta er ógvuliga stórt fyri flytiligar tól. Avtala er tú hevur brúk fyri skjótari FET'um (lægri Qg), betri uppseting, varligari bilførarasniðgeving.

Ljóð (forsterkarar í D-flokki) koyrir 250kHz-1MHz. Undir 200kHz og tú hoyrir burðarfrekvensin sum eitt høgt-hvølp. Omanfyri 1MHz og tú byrjar at berjast við AM radio inntriv. Flestu snið seta seg á 400-500kHz, lágpassfiltur á kanska 50kHz fyri at taka burðarevnið burtur.

Veruligt dømi: gjørdi ein 500kHz buck umformara einaferð, royndi at fara til 1MHz fyri at minka um borðið. Virksemið minkaði 4% (88% til 84%). Tað er 8W eyka hiti í 200W veiting. Tørvaði størri køliskáp, misti allar plásssparingar frá tí minni induktorinum. Bleiv á 500kHz.

PWM

8-bita PWM (256 stig) ljóðar fínt til tú roynir at dimma eina LED snøgt frá 100% til 0%. Undir 10% duty cycle fært tú sjónlig stig í ljósstyrki. Mannaeygað er logaritmiskt-nógv meira viðkvæmt fyri broytingum við lágum ljósstigum. Tørvar 12-bita (4096 stig) í minsta lagi til slætta dimming tvørtur um alt økið.

Men her er veiðan: 12-bita við 20kHz merkir, at tú hevur brúk fyri 20kHz × 4096=81.92MHz tíðarklokku. Tað kunnu ikki øll mikros gera. Og um tú hevur brúk fyri fleiri sjálvstøðugum PWM rásum við 12-bita, so hyggur tú eftir dedikeraðum timer periferum ella einum FPGA.

Loysn: brúka 8-bita PWM men stilla frekvensin dynamiskt. Við høgum ljósstyrki koyra 20kHz, við lágum ljósstyrki falla til 100Hz. Gevur tær fínari stig, har tú hevur brúk fyri teimum. Men nú hevur tú variabel-frekvens EMI at fáast við. Einki er ókeypis.

Ídnaðarlig VFD (breytilig frekvensdriv) skifta hundraðtals forsterkarar við 480VAC. Stýrisstrategiin er meira fløkt-rúmdarvektormodulering, felt-orienterað stýring, hvat sum helst-men undir tað er framvegis PWM sum skiftir seks IGBT í eini trí-fasa brúgv.

Munurin á hesum skalanum:

Gate bilførarar hava brúk fyri 15V isoleraðum veitingum. Tað eru 6 isoleraðar veitingar, sum flóta við ymiskum potentialum upp til 680VDC (rættað 480VAC). Hvør bilførari hevur brúk fyri síni egnu kraft, síni egnu porturmótstøðu (0,5-2Ω typiskt), síni egnu yvirstreymsverju.

Deyðtíðin økist til 2-5μs, tí IGBT eru hægri enn MOSFET

dv/dt filtur á útganginum tí motorkaðalkapasitetur umframt skjótar skiftikantar elvir til risa vanligar-stillingarstreymar. Eg havi mátað 20A av vanligum-mode streymi á einum 5HP motorkaðali, heilt skilt frá motorstreyminum. Tí hevur tú brúk fyri vardum kaðalum og rættari jørðfesting.

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

Komponentval gerst undarligt. Ein IGBT, sum er mettur til 100A samfeldan, kann bert handfara 80A við 50 stigum umhvørvi, 60A við 70 stigum. Men at starta ein stóran motor dregur 6x nominellan streym í fleiri sekund. So tú støddir fyri topp, ikki støðugan-tilstand, og so minkar fyri hita. Enda við einum 300A IGBT til eina "100A" umsókn. BOM-kostnaðurin ger innkeypið sera ónøgt.

STM32 tímar: tey flestu hava 16-bita PWM, summi modell fara til 32-bita men tú hevur sjáldan brúk fyri tí. Tað, sum hevur størri týdning, er talið av samanberingarrásum og fylgiúttøkum. TIM1 og TIM8 á F4-røðini hava fýra samanberingarrásir hvør við komplementerandi úttøkum og programmerandi deyðtíðarinnseting. Perfekt til motorstýring.

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

Sæð snið har tey bit-bang PWM í ritbúnaði tí tey runnu út av timer rásum. Ógvusligt hugskot. Jitter, CPU yvirhøvur, prioritet inversión tá annað avbjóðar eld. Greiða bara eyka $2 fyri ein mikro við fleiri timers ella brúka ein eksternan PWM IC (sum PCA9685). Títt framtíðar eg fer at takka tær.

ESP32 hevur 16 PWM rásir við at brúka LED PWM útgerðina. Ljóðar fantastiskt, uttan at tey øll eru avleidd av eini 80MHz APB klokku og deila deilarar í bólkum. Vilt tú hava ymiskar frekvensir? Vónandi eru tey heiltalslutfall. Eisini minkar upploysnin so hvørt sum frekvensurin økist, tí tað brúkar somu grundklokku. Við 20kHz fært tú 12-bit, við 40kHz ert tú niður á 11-bit osfr.. Datasheet ger hetta ikki týðiligt.

Spread-spektrum PWM: ístaðin fyri fastan frekvens, ditherar tú tað ±10% tilvildarliga. Breiðir EMI yvir eitt breiðari frekvensøki, minkar um toppútlátið. Hjálpir til at klára FCC/CE royndir uttan líka nógvan filtreringsbúnað. Flestu nútímans SMPS-flísar hava hetta innbygt. Cypress PSoC letur teg enntá stýra dithering mynstrinum-sagtann, tríkantað, pseudo-tilvildarligt.

Millum PWM: koyra fleiri umformarar út av fasu. Tveir umformarar við 180 stig fasuskifti merkir, at inntakskondensatorurin sær helvtina av ripplestreyminum. Fýra umformarar við 90 stigum fasuskifti-fjórðing rippluna. Men nú hevur tú brúk fyri nágreiniligari fasusamskipan millum rásir og load balancing so tær deila streym javnt. Vanliga hevur brúk fyri einum dedikeraðum controller 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: borð uppseting er kritisk, gate drive hevur brúk fyri álvarsligum uppmerksemi, ein og hvør induktansa elvir til massivt yvirskot. Ikki fyri nýbyrjarar. Sæð ein GaN design ring til 2x VDD tí onkur brúkti ein vanligan gate driver við 5cm av sporlongd. FET yvirlivdi ikki.

PWM

Til tað mesta: 20kHz, skermtíma PWM, 10-bita upploysn. Nógv til motorstýring og LED dimming. Legg ein porturførara IC til (2A toppstreym minstamark), lág-ESR keramiskar hettur beint við FET-rennuna, feitt jarðflogfar. Kanna skiftisbylgjuformirnar við einum umfangi á fyrstu prototypuni, vænta at endurtaka einaferð.

Fyri alt omanfyri 10A samfelda, hitauppgerð áðrenn uppseting. Eg brúki ANSYS men sjálvt grundleggjandi FEA fangar flestu trupulleikar. Útflyt koparløgini við tapi sum hitakeldur, set markstreytir, kanna um okkurt rakar 125 stig vegamót temp við max ambient. Vanliga brúk fyri køliskápum ella tvingsilsluft um tú skiftir meira enn 50W.

Og royn tað við hita. Stovutemperatur royndir fangar kanska 60% av málunum. Heitur-kassi við 70 stigum umhvørvi í 8 tímar finnur restina-termiskan rýming, porturmarkskifti, kondensator ESR øking. Kostadi mer viku einu sinni thegar design virkadi fint a 25 stigum en FET latched upp a 65 stigum tvi eg reiknadi ekki fyri markspenningshitastuðli.

Hatta er PWM. Einfalt hugtak, endaleysar smálutir.

Seinasta: um tú gert battarí-drivin PWM ting, so bíliga ikki út á kyknur. Royndi nakrar no-navn litium pakkar einaferð-kunnu ikki handfara ripple streymin, spenningurin sló undir last, øll skipanin brúnkaði út. Skift til rættion-litiumbattarímodul við ordiligari C-meting, hvarv trupulleikin. Eyka 15 dollararnir fyri pakkan bjargaðu mær frá trimum stuðulssamrøðum um vikuna.