čo je PWM?

PWM je skratka pre Pulse Width Modulation. Napätie zapínate a vypínate s pevnou frekvenciou a meníte pomer času-zapínania a času vypnutia-, aby ste ovládali priemernú dodávku energie. To je všetko. Zvyšok je len riešenie následkov.

Vezmite 12V napájací zdroj LED, ktorý potrebuje 3V. Normálne by ste použili rezistor alebo lineárny regulátor, spálite 9V ako teplo. Hlúpy odpad. S PWM zapínate a vypínate plných 12 V dostatočne rýchlo na to, aby tepelná hmotnosť LED spriemerovala . 25 % pracovného cyklu, čím získate ekvivalent približne 3 V. LED dióda vidí 12V → 0V → 12V → 0V pri možno 1 kHz, ale nedokáže sa tak rýchlo ochladiť a zahriať, takže jas zostáva konštantný.

Na frekvencii záleží. Príliš pomalé (pod 100 Hz) a dochádza k viditeľnému blikaniu. Niektorí ľudia vidia blikanie až do 200 Hz. Pre istotu zvyčajne používam stmievanie LED pri 20 kHz-tiež ho udržiava mimo počuteľného rozsahu, ak je tam nejaké mechanické spojenie. Rýchlosť prepínania ovplyvňuje aj straty, ale k tomu sa ešte dostaneme.

Matematika: ak je vaša perióda T a{0}}čas je t, pracovný cyklus D=t/T. Jednoduché. Dodávaný výkon je zhruba D × V_supply × I_load mínus straty. V týchto prehrách sú veci zaujímavé.

Prvý dôvod: efektívnosť. MOSFET v saturácii klesne možno o 0,1-0,2V pri rozumných prúdoch. Vypnutý MOSFET odoberá mikroampéry. Takže buď rozptyľujete (0,1 V × prúd) alebo v podstate nič. Porovnajte to s lineárnym regulátorom, ktorý nepretržite klesá 9V pri plnom prúde. Rozdiel vo výdrži batérie je v niektorých prípadoch 40-50x, čo nie je prehnané.

Po druhé: môžete použiť lacnejšie napájacie zdroje. Potrebujete poháňať 48V motor s premenlivou rýchlosťou? S analógovým ovládaním potrebujete drahé variabilné napájanie 0-48V. S PWM použijete pevné 48V napájanie (lacné) a MOSFET (tiež lacné). Hotovo.

Tretí dôvod, o ktorom nikto nehovorí: obstarávanie. Skúste získať dobré variabilné analógové napájanie v objeme. Dodacie lehoty sú minimálne 26 týždňov od slušných výrobcov. MOSFETy? Všetko je skladom na Digikey. Keď na vás kričí výroba, záleží na tom viac ako na nákladoch na kusovník.

PWM

EMI vás poserie. Prvýkrát som urobil vysokoprúdovú dosku PWM (120 A pre jednosmerný motor), zabilo to zbernicu CAN na tom istom vozidle. Nepoškodené pakety-úplne mŕtve. Ukázalo sa, že moje zvonenie pohonu brány bolo spojené cez uzemnenie podvozku, čo vyvolalo 40V špičky na dvojici diferenciálu CAN. Pridané feritové guľôčky, premiestnené pozemky, stále mali problémy. Nakoniec bolo potrebné pridať pí filter na napájanie motora a oddeliť uzemňovacie roviny pomocou jedného-bodového pripojenia. Zabral tri otáčky dosky.

Pohon brány je ťažší, ako sa zdá. Potrebujete nízku impedanciu medzi ovládačom a hradlom MOSFET-pri vysokom di/dt záleží na indukčnosti sledovania. Videl som, že 10nH stopovej indukčnosti spôsobuje 50V napäťové špičky počas prepínania (V=L × di/dt). To je dosť na to, aby ste prerazili 60V MOSFET. Ľudia sa hádajú o matematike, ale videl som to na rozsahu: 3A/ns spínací prúd do 10nH vám dáva 30V špičku. Pridajte napájacie napätie a ste nad absolútnym maximálnym hodnotením.

Potom je tu prestrelka-v H-mostoch. Medzi vypnutím FET na nízkej-strane a zapnutím vysokej-strany (a naopak) MUSÍTE mať mŕtvy čas. Nulový mŕtvy čas znamená, že oba FETy vedú súčasne-priamy skrat od napájania k zemi cez odpory kanála FET. 50A až 0,01Ω dvakrát je stále 1000A po dobu mikrosekúnd, než veci vybuchnú. Režim zlyhania je veľkolepý: malý kráter v kremíku, FET sa natrvalo skráti a odstráni všetko ostatné v reťazci.

Ale príliš veľa mŕtveho času a dióda tela vedie počas mŕtveho obdobia. Diódy tela sú hrozné-vysoký pokles vpred (1-2V), pomalé zotavovanie. Strácate účinnosť a vytvárate viac tepla. Kompromis je zvyčajne 100-500 ns mŕtvy čas v závislosti od spínacích charakteristík vášho FET.

Prvý inštinkt každého: vyššia frekvencia=menšie tlmivky/kondenzátory=lacnejšie. Niekedy pravda. Straty pri prepínaní sa však zvyšujú s frekvenciou-pri každom prechode FET strácate energiu. ESprepínanie ≈ 0,5 × Vnapájanie × Izáťaž × (trise + tfall) × fsw. Dvojnásobná frekvencia, dvojnásobná spínacia strata.

Pre motorové pohony je bežné 20 kHz. Nad počuteľnými sa mechanické časové konštanty nestarajú. Ale v napájacom zdroji notebooku vidíte 300 kHz-1 MHz. prečo? Menšie magnety. 1MHz induktor je fyzicky 1/50 veľkosti 20kHz induktora s rovnakou indukčnosťou. To je pre prenosné zariadenia obrovské. Kompromisom je, že potrebujete rýchlejšie FET (nižšie Qg), lepšie rozloženie, starostlivejší dizajn ovládača.

Zvuk (zosilňovače triedy D) beží na frekvencii 250 kHz-1 MHz. Pod 200 kHz a nosnú frekvenciu môžete počuť ako vysoké-kňučanie. Nad 1 MHz a začnete bojovať s rušením AM rádia. Väčšina návrhov sa ustáli na 400-500 kHz, dolnopriepustný filter na možno 50 kHz, aby sa odstránil nosič.

Skutočný príklad: raz konvertor 500 kHz doláč skúsil prejsť na 1 MHz, aby zmenšil dosku. Účinnosť klesla o 4 % (88 % na 84 %). To je 8W tepla navyše v 200W zdroji. Potreboval som väčší chladič, stratil som všetky priestorové úspory z menšej induktory. Zostal na 500 kHz.

PWM

8-bitové PWM (256 krokov) znie dobre, kým sa nepokúsite plynulo stlmiť LED zo 100 % na 0 %. Pod 10 % pracovného cyklu získate viditeľné kroky v jase. Ľudské oko je logaritmické - oveľa citlivejšie na zmeny pri nízkej úrovni osvetlenia. Na plynulé stmievanie v celom rozsahu potrebujete minimálne 12 bitov (4096 krokov).

Ale tu je háčik: 12-bit pri 20 kHz znamená, že potrebujete 20 kHz × 4096=81.92MHz hodiny časovača. Nie všetky mikroorganizmy to dokážu. A ak potrebujete viacero nezávislých PWM kanálov na 12-bit, hľadáte vyhradené periférie s časovačom alebo FPGA.

Alternatívne riešenie: použite 8-bitové PWM, ale frekvenciu upravujte dynamicky. Pri vysokom jase bežte 20 kHz, pri nízkom jase klesajte na 100 Hz. Poskytuje jemnejšie kroky tam, kde ich potrebujete. Teraz však musíte riešiť EMI s premenlivou frekvenciou. Nič nie je zadarmo.

Priemyselné VFD (meniče s premenlivou frekvenciou) spínajú stovky ampérov pri 480 V AC. Stratégia riadenia je zložitejšia-priestorová vektorová modulácia, riadenie-orientované na pole, čokoľvek-, ale pod ňou je stále PWM spínajúce šesť IGBT v trojfázovom moste-.

Rozdiely v tejto mierke:

Ovládače brány potrebujú 15V izolované zdroje. To je 6 izolovaných zdrojov plávajúcich na rôznych potenciáloch až do 680 V DC (usmernené 480 V AC). Každý driver potrebuje svoje vlastné napájanie, vlastný hradlový odpor (typický 0,5-2Ω), vlastnú nadprúdovú ochranu.

Deadtime sa zvyšuje na 2-5 µs, pretože IGBT sú pomalšie ako MOSFET

dv/dt filtre na výstupe, pretože kapacita kábla motora a rýchle spínacie hrany spôsobujú obrovské prúdy v bežnom{0}}režime. Nameral som 20 A bežného{3}}režimu prúdu na kábli motora s výkonom 5 HP, úplne oddelene od prúdu motora. Preto potrebujete tienené káble a správne uzemnenie.

Tepelná: aj 2% strata pri 50kW je 1kW tepla. Vodné chladenie s prietokovými spínačmi a teplotnými zámkami. Ak prietok chladiacej kvapaliny klesne pod prahovú hodnotu, regulátor okamžite deaktivuje výstupy. Videné systémy horia, pretože niekto zabudol skontrolovať hladinu chladiacej kvapaliny.

Výber komponentov je divný. IGBT dimenzovaný na nepretržitý prúd 100 A môže zvládnuť iba 80 A pri teplote okolia 50 stupňov, 60 A pri teplote 70 stupňov. Spustenie veľkého motora však niekoľko sekúnd odoberá 6-násobok menovitého prúdu. Veľkosť teda upravíte na vrchol, nie na ustálený-stav, a potom znížite na teplotu. Skončite s 300A IGBT pre aplikáciu "100A". Náklady na kusovník spôsobujú, že obstarávanie je veľmi nešťastné.

Časovače STM32: väčšina má 16-bitové PWM, niektoré modely prechádzajú na 32-bitové, ale zriedka ho potrebujete. Dôležitejší je počet porovnávacích kanálov a doplnkových výstupov. TIM1 a TIM8 na sérii F4 majú štyri porovnávacie kanály, každý s komplementárnymi výstupmi a programovateľným vložením mŕtveho času. Ideálne na ovládanie motora.

Problém: všetky kanály PWM na jednom časovači sú synchronizované s rovnakým počítadlom. Ak potrebujete nezávislé frekvencie, potrebujete samostatné časovače. A existuje len toľko časovačov s pokročilými funkciami. Na STM32F4 získate TIM1, TIM8 pre pokročilé ovládanie. TIM2-5 pre základné PWM. TIM9-14 sú 16-bitové bez generovania deadtime. Rýchlo sa miniete, ak aplikácia potrebuje viacero izolovaných PWM signálov.

Videné návrhy, v ktorých-prepadli PWM v softvéri, pretože sa im minuli kanály časovača. Strašná predstava. Jitter, réžia CPU, inverzia priority, keď sa spúšťajú iné prerušenia. Stačí zaplatiť ďalšie 2 doláre za mikroprocesor s viacerými časovačmi alebo použiť externý PWM IC (napríklad PCA9685). Vaše budúce ja sa vám poďakuje.

ESP32 má 16 PWM kanálov pomocou LED PWM periférie. Znie to skvele, až na to, že všetky sú odvodené od jedného 80 MHz APB hodín a zdieľajú deliče v skupinách. Chcete iné frekvencie? Dúfam, že sú to celočíselné pomery. Rozlíšenie sa tiež znižuje so zvyšujúcou sa frekvenciou, pretože používa rovnaké základné hodiny. Pri 20 kHz získate 12-bit, pri 40 kHz ste na 11-bit atď. Datasheet to neuvádza.

Rozprestreté-spektrum PWM: namiesto pevnej frekvencie ju rozložíte náhodne o ±10 %. Rozširuje EMI v širšom frekvenčnom rozsahu, znižuje špičkové emisie. Pomáha prejsť testovaním FCC/CE bez veľkého množstva hardvéru na filtrovanie. Väčšina moderných čipov SMPS to má zabudované. Cypress PSoC vám dokonca umožňuje ovládať vzor rozkladu-pílovitý, trojuholníkový, pseudo-náhodný.

Interleaved PWM: prevádzka viacerých meničov mimo fázu. Dva konvertory pri 180 stupňovom fázovom posune znamenajú, že vstupný kondenzátor vidí polovicu zvlneného prúdu. Štyri konvertory s 90-stupňovým fázovým posunom-štvrťku zvlnenia. Teraz však potrebujete presnú fázovú synchronizáciu medzi kanálmi a vyrovnávanie záťaže, aby zdieľali prúd rovnomerne. Zvyčajne potrebuje vyhradený IC ovládača, pokiaľ vaše mikro nemá dostatok zdrojov.

GaN FET sa môžu prepínať pod 10 ns. Otvára frekvencie 10 MHz+ PWM-induktory sa stávajú malými, takmer len stopy PCB. Ale: usporiadanie dosky je kritické, pohon brány si vyžaduje vážnu pozornosť, akákoľvek indukčnosť spôsobuje masívne prekmitanie. Nie pre začiatočníkov. Videl som dizajnový krúžok GaN na 2x VDD, pretože niekto použil štandardný ovládač brány s dĺžkou stopy 5 cm. FET neprežil.

PWM

Pre väčšinu vecí: 20 kHz, hardvérový časovač PWM, 10-bitové rozlíšenie. Dostatok na ovládanie motora a stmievanie LED. Pridajte integrovaný obvod hradlového ovládača (minimálny špičkový prúd 2A), keramické uzávery s nízkym ESR priamo na odtok FET, mastnú zem. Skontrolujte prepínacie krivky pomocou osciloskopu na prvom prototype, očakávajte, že raz zopakujete.

Pre čokoľvek nad 10A nepretržitá tepelná simulácia pred rozložením. Používam ANSYS, ale aj základná FEA zachytáva väčšinu problémov. Exportujte medené vrstvy so stratami ako zdroje tepla, nastavte okrajové podmienky, skontrolujte, či niečo nedosiahne 125 stupňovú teplotu spoja pri maximálnej okolitej teplote. Zvyčajne potrebujete chladiče alebo nútený vzduch, ak spínate viac ako 50 W.

A otestujte to pri teplote. Testovanie pri izbovej teplote zachytáva možno 60 % problémov. Hot-box pri teplote 70 stupňov počas 8 hodín nájde zvyšok-tepelného úniku, posunutie prahu brány, zvýšenie ESR kondenzátora. Stálo ma to raz týždeň, keď dizajn fungoval dobre pri 25 stupňoch, ale FET sa zachytil pri 65 stupňoch, pretože som nezohľadnil teplotný koeficient prahového napätia.

To je PWM. Jednoduchý koncept, nekonečné detaily.

Posledná vec: ak robíte veci s PWM-napájaním z batérie, nezlacňujte články. Raz som vyskúšal niektoré bez{2}}lítiové batérie-nedokázali zvládnuť zvlnený prúd, napätie pri záťaži kleslo, celý systém zhnedol. Prepnuté na správneiónová lítiová batériamodulov so slušným hodnotením C-, problém zmizol. Ďalších 15 dolárov za balík mi ušetrilo tri telefonáty na podporu týždenne.