Mi az a PWM?

A PWM a Pulse Width Modulation rövidítése. Rögzített frekvencián kapcsolja be és ki a feszültséget, és módosítja a be--idő és a kikapcsolási idő arányát,{2}}hogy szabályozza az átlagos teljesítményleadást. Ennyi. A többi már csak a következmények kezelése.

Vegyünk egy 12 V-os tápegységet, amely egy 3 V-ot igénylő LED-et vezet. Általában ellenállást vagy lineáris szabályozót használ, 9 V-ot éget el hőként. Hülye pazarlás. A PWM segítségével a teljes 12 V-ot elég gyorsan be- és kikapcsolja ahhoz, hogy a LED termikus tömege átlagolja azt, . 25%-os munkaciklus nagyjából 3 V-ot ad. A LED 12 V → 0 V → 12 V → 0 V feszültséget lát 1 kHz-en, de nem tud ilyen gyorsan lehűlni és felmelegedni, így a fényerő állandó marad.

A gyakoriság számít. Túl lassú (100 Hz alatt), és látható villogás. Vannak, akik 200 Hz-ig villognak. Általában 20 kHz-en használom a LED-es fényerő-szabályozást, csak a biztonság kedvéért{6}}a hallható tartományon kívül tartom, ha van mechanikus csatolás. A kapcsolási sebesség a veszteségeket is befolyásolja, de rátérünk.

A matematika: ha a menstruációja T, és a bekapcsolási idő t, akkor a munkaciklus D=t/T. Egyszerű. A leadott teljesítmény nagyjából D × V_supply × I_load, mínusz veszteségek. Ezek a veszteségek az, ahol a dolgok érdekessé válnak.

Első ok: hatékonyság. A MOSFET telítettsége 0,1-0,2 V-ot eshet ésszerű áramoknál. A MOSFET off mikroampert vesz fel. Tehát vagy disszipál (0,1 V × áram), vagy gyakorlatilag semmit. Hasonlítsa össze ezt egy lineáris szabályozóval, amely folyamatosan 9 V-ot veszít teljes áram mellett. Az akkumulátor élettartama bizonyos esetekben 40-50-szeres, nem túlzás.

Másodszor: használhat olcsóbb tápegységeket. Változtatható fordulatszámon kell 48 V-os motort vezetni? Az analóg vezérléshez drága változó 0-48V tápra van szükség. A PWM-nél fix 48V-os tápot (olcsó) és MOSFET-et (szintén olcsón) használsz. Kész.

A harmadik ok, amiről senki sem beszél: a beszerzés. Próbáljon meg jó hangerőben változó analóg tápot szerezni. A tisztességes gyártóktól származó átfutási idő minimum 26 hét. MOSFET-ek? Minden raktáron van a Digikey-nél. Amikor a gyártás kiabál, ez többet számít, mint a darabjegyzék költsége.

PWM

Az EMI elcsesz téged. Amikor először csináltam nagy-áramú PWM kártyát (120A egyenáramú motorhoz), ez megölte a CAN buszt ugyanazon a járművön. A nem sérült csomagok-teljesen halottak. Kiderült, hogy a kapumeghajtó csengetése átcsatolt a ház földjén, és 40 V-os tüskéket indukált a CAN differenciálpáron. Hozzáadtak ferritgyöngyöket, áthelyezték a földet, de továbbra is gondok voltak. Végül egy pi szűrőt kellett hozzáadni a motor tápellátásához, és egyetlen-pontos csatlakozással el kellett választani a földsíkokat. Három tábla fordulatot vett fel.

A kapuhajtás nehezebb, mint amilyennek látszik. Alacsony impedanciára van szüksége a meghajtótól a MOSFET-kapuig{1}}a nyominduktivitás számít nagy di/dt-nél. Láttam, hogy 10nH nyominduktivitás 50V-os feszültségcsúcsokat okoz kapcsolás közben (V=L × di/dt). Ez elég egy 60 V-os névleges MOSFET átütéséhez. Az emberek vitatkoznak a matekról, de láttam a szkópnál: 3A/ns kapcsolási áram 10nH-ra 30V-os tüskét eredményez. Adja hozzá a tápfeszültséget, és túllépi az abszolút maximális névleges értéket.

Utána jöhet a H-hidak átlövése. Az alacsony-oldali FET kikapcsolása és a magas-oldali FET bekapcsolása között (és fordítva) KELL eltelnie. A nulla holtidő azt jelenti, hogy mindkét FET egyidejűleg -közvetlen rövidzárlatot vezet a tápellátástól a földig a FET csatorna ellenállásain keresztül. 50A-tól 0,01 Ω-ig kétszer még mindig 1000 A mikroszekundum előtt, mielőtt a dolgok felrobbannának. A hibamód látványos: kis kráter a szilíciumban, a FET tartósan rövidre zár, minden mást kivesz a láncból.

De túl sok a holtidő, és a testdióda vezet a holt időszakban. A testdiódák szörnyű-magas előreesés (1-2V), lassú helyreállítás. Elveszíti a hatékonyságot, és több hőt termel. A kompromisszum általában 100-500 ns holtidő a FET kapcsolási jellemzőitől függően.

Mindenkinek az első ösztöne: a magasabb frekvenciájú=kisebb induktorok/kondenzátorok=olcsóbbak. Néha igaz. De a kapcsolási veszteségek a gyakorisággal nőnek,{4}}a FET minden egyes átmenetekor energiát veszít. ESkapcsolás ≈ 0,5 × Vsupply × Iload × (trise + tfall) × fsw. Dupla frekvencia, dupla kapcsolási veszteség.

Motoros hajtásoknál a 20 kHz általános. A hallható, mechanikus időállandók nem számítanak. De egy laptop tápegységben 300 kHz{13}}1 MHz látható. Miért? Kisebb mágnesek. Egy 1 MHz-es induktor fizikailag 1/50-e akkora, mint egy 20 kHz-es azonos induktivitású. Ez óriási a hordozható készülékeknél. A kompromisszum az, hogy gyorsabb FET-ekre (alacsonyabb Qg-re), jobb elrendezésre és gondosabb illesztőprogram-tervezésre van szüksége.

Az audio (D osztályú erősítők) 250 kHz-1 MHz-en fut. 200 kHz alatt, és a vivőfrekvenciát magas-hangú nyöszörgésként hallhatja. 1 MHz felett, és elkezd harcolni az AM rádióinterferenciával. A legtöbb kialakítás 400-500 kHz-re áll be, az aluláteresztő szűrő pedig talán 50 kHz-re a hordozó eltávolításához.

Valós példa: csinált egyszer egy 500kHz-es buck konvertert, próbált 1MHz-re menni, hogy zsugorítsa a táblát. A hatékonyság 4%-kal csökkent (88%-ról 84%-ra). Ez 8 W plusz hő 200 W-os tápegységben. Nagyobb hűtőbordára volt szüksége, elveszett minden helymegtakarítás a kisebb induktorból. 500 kHz-en maradt.

PWM

A 8-bites PWM (256 lépés) jól hangzik mindaddig, amíg meg nem próbálja simán 100%-ról 0%-ra tompítani a LED-et. 10%-os munkaciklus alatt a fényerő látható lépései láthatók. Az emberi szem logaritmikus – sokkal érzékenyebb az alacsony fényszintek változásaira. Legalább 12 bites (4096 lépés) szükséges a zökkenőmentes tompításhoz a teljes tartományban.

De itt van a bökkenő: a 12 bites 20 kHz-en azt jelenti, hogy 20 kHz × 4096=81.92MHz-es időzítőóra van szüksége. Nem minden mikro képes erre. És ha több független PWM csatornára van szüksége 12 bites sávban, akkor dedikált időzítő perifériákat vagy FPGA-t keres.

Megoldás: használjon 8-bites PWM-et, de állítsa dinamikusan a frekvenciát. Magas fényerőn 20 kHz-en fut, alacsony fényerőn pedig 100 Hz-re csökken. Finomabb lépéseket kínál ott, ahol szüksége van rájuk. De most változó frekvenciájú EMI-vel kell foglalkoznia. Semmi sincs ingyen.

Az ipari VFD-k (változófrekvenciás meghajtók) több száz ampert kapcsolnak át 480 VAC-on. A vezérlési stratégia összetettebb-térvektor-moduláció, mező-orientált vezérlés, bármi,-de ez alatt még mindig ott van a PWM, amely hat IGBT-t kapcsol egy három-fázisú hídban.

Különbségek ezen a skálán:

A kapumeghajtóknak 15 V-os szigetelt tápra van szükségük. Ez 6 leválasztott táp, amelyek különböző potenciálokon lebegnek 680 VDC-ig (egyenirányított 480 VAC). Minden meghajtónak szüksége van saját teljesítményre, saját kapuellenállásra (tipikusan 0,5-2Ω), saját túláramvédelemre.

A holtidő 2-5 µs-ra nő, mivel az IGBT-k lassabbak, mint a MOSFET-ek

dv/dt szűrők a kimeneten, mert a motorkábel kapacitása és a gyors kapcsolási élek hatalmas általános{0}}módusú áramokat okoznak. 20A közös módú-áramot mértem egy 5 LE-s motorkábelen, teljesen külön a motor áramától. Ezért van szüksége árnyékolt kábelekre és megfelelő földelésre.

Termikus: 50 kW-on 2% veszteség is 1 kW hő. Vízhűtés áramláskapcsolókkal és hőmérséklet-reteszeléssel. Ha a hűtőfolyadék áramlása a küszöbérték alá esik, a vezérlő azonnal letiltja a kimeneteket. A látott rendszerek kiégnek, mert valaki elfelejtette ellenőrizni a hűtőfolyadék szintjét.

A komponensek kiválasztása furcsa lesz. A 100 A folyamatos teljesítményre besorolt IGBT 50 fokos környezeti hőmérsékleten csak 80 A-t, 70 fokos hőmérsékleten pedig 60 A-t képes kezelni. De egy nagy motor indítása 6-szoros névleges áramot húz néhány másodpercig. Tehát a csúcsra kell méretezni, nem az állandó-állapotra, majd a hőmérsékletre csökkenteni. Végezzen egy 300A-es IGBT-t a "100A" alkalmazáshoz. A darabjegyzék-költség nagyon boldogtalanná teszi a beszerzést.

STM32 időzítők: a legtöbb 16 bites PWM-mel rendelkezik, néhány modell 32 bitesre megy, de ritkán van rá szükség. Ami sokkal fontosabb, az az összehasonlító csatornák és a kiegészítő kimenetek száma. Az F4 sorozatban a TIM1 és a TIM8 négy összehasonlító csatornával rendelkezik, mindegyik kiegészítő kimenettel és programozható holtidő beillesztéssel. Motorvezérlésre tökéletes.

Probléma: egy időzítő összes PWM csatornája ugyanahhoz a számlálóhoz van szinkronizálva. Ha független frekvenciákra van szüksége, külön időzítőkre van szüksége. És csak annyi időzítő van fejlett funkciókkal. Az STM32F4-en TIM1, TIM8 található a fejlett vezérléshez. TIM2-5 alap PWM-hez. A TIM9-14 16 bites, holtidő generálás nélkül. Gyorsan elfogy, ha az alkalmazásnak több izolált PWM jelre van szüksége.

Láttam olyan terveket, amelyekben a PWM-et elharapták{0}}a szoftverben, mert kifogytak az időzítőcsatornákból. Szörnyű ötlet. Jitter, CPU overhead, prioritás inverzió, ha más megszakítja a tüzet. Csak fizessen ki plusz 2 dollárt egy több időzítővel rendelkező mikroért, vagy használjon külső PWM IC-t (például PCA9685). Jövőbeli éned hálás lesz neked.

Az ESP32 16 PWM csatornával rendelkezik a LED PWM perifériával. Jól hangzik, kivéve, hogy mindegyik egy 80 MHz-es APB órajelből származik, és csoportokban osztják az osztókat. Különböző frekvenciákat szeretne? Remélem ezek egész számok. A felbontás is csökken a frekvencia növekedésével, mivel ugyanazt az alapórát használja. 20 kHz-en 12 bitet kapsz, 40 kHz-en 11 bitesre csökken, stb. Az adatlap ezt nem teszi nyilvánvalóvá.

Spread{0}}spectrum PWM: a rögzített frekvencia helyett véletlenszerűen ±10%-ot változtat. Szélesebb frekvenciatartományban terjeszti az EMI-t, csökkenti a csúcskibocsátást. Segít átadni az FCC/CE-tesztet, anélkül, hogy nagy mennyiségű szűrőhardver. A legtöbb modern SMPS chip be van építve ezzel. A Cypress PSoC lehetővé teszi a fűrészfogú, háromszög alakú, pszeudo{7}}véletlenszerű dithering minta-vezérlését is.

Interleaved PWM: futtasson több konvertert fázison kívül. Két konverter 180 fokos fáziseltolással azt jelenti, hogy a bemeneti kondenzátor a hullámos áram felét látja. Négy konverter 90 fokos fáziseltolással{4}}negyedeli a hullámzást. De most pontos fázisszinkronizálásra van szükség a csatornák között és terheléselosztásra, hogy egyenlően osszák meg az áramot. Általában szükség van egy dedikált vezérlő IC-re, hacsak a mikronak nincs elegendő erőforrása.

A GaN FET-ek 10 n alatt tudnak bekapcsolni. 10MHz+ PWM-frekvenciákat nyit meg,{4}}az induktorok aprókká válnak, szinte csak PCB-nyomok. De: a tábla elrendezése kritikus, a kapuhajtás komoly figyelmet igényel, bármilyen induktivitás hatalmas túllövést okoz. Nem kezdőknek. Láttam egy GaN tervezési gyűrűt 2x VDD-hez, mert valaki szabványos kapumeghajtót használt 5 cm-es nyomhosszúsággal. A FET nem élte túl.

PWM

A legtöbb dologhoz: 20 kHz, hardveres időzítő PWM, 10{5}}bites felbontás. Rengeteg a motorvezérléshez és a LED-es fényszabályozáshoz. Adjon hozzá egy kapumeghajtó IC-t (2A csúcsáram minimum), alacsony ESR-es kerámiakupakokat közvetlenül a FET-elvezetőhöz, zsíros alapsíkot. Ellenőrizze a kapcsolási hullámformákat egy szkóp segítségével az első prototípuson, számítson rá, hogy egyszer ismétlődik.

10A feletti dolgokhoz folyamatos, termikus szimuláció az elrendezés előtt. ANSYS-t használok, de még az alap FEA is megoldja a legtöbb problémát. Exportálja a veszteséges rézrétegeket hőforrásként, állítsa be a peremfeltételeket, ellenőrizze, hogy valami eléri-e a 125 fokos csatlakozási hőmérsékletet max. Általában hűtőbordák vagy kényszerlevegő szükséges, ha 50 W-nál nagyobb teljesítményt kapcsol.

És tesztelje hőmérsékleten. A szobahőmérsékletű tesztelés a problémák talán 60%-át kiszűri. Forró-doboz 70 fokos környezeti hőmérsékleten 8 órán át észleli a maradék-termikus kiesést, a kapu küszöbértékének eltolódását, a kondenzátor ESR növekedését. Egyszer egy hétbe került, amikor egy terv jól működött 25 fokon, de a FET 65 fokon reteszelt, mert nem vettem figyelembe a küszöbfeszültség hőmérsékleti együtthatóját.

Ez a PWM. Egyszerű koncepció, végtelen részletek.

Utolsó dolog: ha akkumulátoros{0}}PWM dolgokat csinál, ne olcsón vásároljon cellákat. Egyszer kipróbáltam néhány no-name lítiumcsomagot,-nem tudta kezelni a hullámos áramot, a feszültség lecsökkent a terhelés alatt, az egész rendszer megbarnult. Megfelelőre kapcsolvaionos lítium akkumulátormegfelelő C{0}}besorolású modulok esetén a probléma megszűnt. A csomagonkénti extra 15 dollár megmentett a heti három támogatási hívástól.