PWM nədir?

PWM, Pulse Width Modulation deməkdir. Siz sabit tezlikdə gərginliyi açıb-söndürürsünüz, orta enerji tədarükünü idarə etmək üçün -söndürmə vaxtı ilə- vaxt nisbətini dəyişirsiniz. bu qədər. Qalanları yalnız nəticələri ilə məşğul olur.

3V ehtiyacı olan bir LED-i idarə edən 12V təchizatı götürün. Normalda bir rezistor və ya xətti tənzimləyicidən istifadə edərdiniz, istilik olaraq 9V-u yandırardınız. Axmaq tullantılar. PWM ilə siz tam 12V-ni kifayət qədər tez yandırıb söndürürsünüz ki, LED-in istilik kütləsi onu orta hesabla . 25% iş dövrü sizə təxminən 3V ekvivalenti verir. LED bəlkə 1kHz-də 12V → 0V → 12V → 0V görür, lakin o, o qədər tez soyuya və qızdıra bilmir, ona görə də parlaqlıq sabit qalır.

Tezlik vacibdir. Çox yavaş (100Hz-dən aşağı) və görünən titrəmə əldə edirsiniz. Bəzi insanlar 200Hz-ə qədər titrəmə görürlər. Təhlükəsiz olmaq üçün adətən LED qaralmanı 20 kHz-də işlədirəm{6}}həmçinin hər hansı mexaniki birləşmə olduqda onu eşidilən diapazondan kənarda saxlayıram. Sürətin dəyişdirilməsi itkilərə də təsir edir, lakin biz buna nail olacağıq.

Riyaziyyat: əgər dövrünüz T-dirsə və -vaxtınız t-dirsə, vəzifə dövrü D=t/T. Sadə. Təqdim olunan güc təqribən D × V_təchizatı × I_load, mənfi itkilərdir. Bu itkilər hər şeyin maraqlı olduğu yerdir.

Birinci səbəb: səmərəlilik. MOSFET doymada ağlabatan cərəyanlarda 0,1-0,2V azalır. MOSFET off mikroamperləri çəkir. Beləliklə, siz ya dağılırsınız (0,1V × cərəyan) və ya heç bir şey yoxdur. Bunu davamlı olaraq tam cərəyanda 9V endirən xətti tənzimləyici ilə müqayisə edin. Batareyanın ömrü fərqi bəzi hallarda 40-50x olur, şişirtmək olmaz.

İkincisi: daha ucuz enerji mənbələrindən istifadə edə bilərsiniz. 48V mühərriki dəyişən sürətlə sürmək lazımdırmı? Analoq idarəetmə ilə sizə bahalı dəyişən 0-48V təchizatı lazımdır. PWM ilə siz sabit 48V təchizatı (ucuz) və MOSFET (həmçinin ucuz) istifadə edirsiniz. Bitdi.

Üçüncü səbəb heç kim haqqında danışmır: satınalma. Həcmdə yaxşı dəyişən analoq təchizatı əldə etməyə çalışın. Təqdimat müddəti layiqli istehsalçılardan minimum 26 həftədir. MOSFETlər? Digikey-də hər şey anbardadır. İstehsal sizə qışqırdıqda, bu, BOM qiymətindən daha vacibdir.

PWM

EMI sizi aldadacaq. İlk dəfə yüksək{1}}cari PWM lövhəsi (DC mühərriki üçün 120A) etdim, o, eyni avtomobildəki CAN avtobusunu öldürdü. Zədələnməmiş paketlər-tamamilə ölüdür. Məlum oldu ki, mənim darvazanın sürücüsünün zəngi şassinin yerlə birləşərək CAN diferensial cütlüyündə 40V tırmanışlara səbəb olur. Ferrit muncuqlar əlavə edildi, yerləri dəyişdirildi, hələ də problemlər var idi. Nəhayət, mühərrik təchizatına bir pi filtri əlavə etməli və yer müstəvilərini bir-nöqtə bağlantısı ilə ayırmalı oldu. Üç board revs aldı.

Gate drive göründüyündən daha çətindir. Sürücüdən MOSFET qapısına-yüksək di/dt-də endüktans məsələlərini izləmək üçün aşağı empedans lazımdır. 10nH iz endüktansının keçid zamanı 50V gərginliyə səbəb olduğunu gördüm (V=L × di/dt). Bu, 60V nominallı MOSFET-dən keçmək üçün kifayətdir. İnsanlar riyaziyyat haqqında mübahisə edirlər, lakin mən bunu əhatə dairəsində görmüşəm: 3A/ns cərəyanı 10nH-a çevirmək sizə 30V sünbül verir. Təchizat gərginliyini əlavə edin və siz mütləq maksimum reytinqi keçmisiniz.

Sonra H-körpülərdə- çəkilişlər aparılır. Aşağı{3}}yan FET-i söndürmək və yüksək-tərəfdə dönmək (və əksinə) arasında son vaxtınız olmalıdır. Sıfır bitmə müddəti hər iki FET-in eyni vaxtda-FET kanalının müqavimətləri vasitəsilə tədarükdən yerə birbaşa qısa fəaliyyət göstərməsi deməkdir. 50A-dan 0.01Ω-ə qədər iki dəfə partlamadan əvvəl mikrosaniyələr üçün hələ də 1000A-dır. Uğursuzluq rejimi möhtəşəmdir: silikondakı kiçik krater, FET daimi olaraq qısalır, zəncirdə qalan hər şeyi çıxarır.

Amma çox ölü zaman və bədən diodu ölü dövrdə keçirir. Korpus diodları dəhşətli{1}}yüksək irəli düşmə (1-2V), yavaş bərpadır. Siz səmərəliliyi itirirsiniz və daha çox istilik yaradırsınız. Mübadilə, FET-in keçid xüsusiyyətlərindən asılı olaraq adətən 100-500ns ölüdür.

Hər kəsin ilk instinkti: yüksək tezlikli=kiçik induktorlar/kondensatorlar=daha ucuzdur. Bəzən doğrudur. Lakin keçid itkiləri tezliklə artır-FET hər dəfə keçid etdikdə enerji itirirsiniz. ESwitching ≈ 0.5 × Vsupply × Yükləmə × (trise + tfall) × fsw. Tezliyi iki dəfə artırın, keçid itkisini iki dəfə artırın.

Mühərrik sürücüləri üçün 20 kHz tez-tez rast gəlinir. Səslənəndən yuxarı mexaniki vaxt sabitləri əhəmiyyət vermir. Lakin noutbukun enerji təchizatında siz 300kHz-1MHz görürsünüz. Niyə? Daha kiçik maqnitlər. 1MHz induktor fiziki olaraq eyni endüktansa malik 20kHz-in 1/50 ölçüsüdür. Bu portativ cihazlar üçün böyükdür. Mübadilə ondan ibarətdir ki, daha sürətli FET-lərə (aşağı Qg), daha yaxşı yerləşdirməyə, daha diqqətli sürücü dizaynına ehtiyacınız var.

Audio (Class D gücləndiriciləri) 250kHz-1MHz tezliyi ilə işləyir. 200 kHz-dən aşağı olduqda və siz daşıyıcı tezliyini yüksək-pisli sızıltı kimi eşidə bilərsiniz. 1MHz-dən yuxarı və AM radio müdaxiləsi ilə mübarizə aparmağa başlayırsınız. Əksər dizaynlar daşıyıcını çıxarmaq üçün 400-500 kHz, aşağı keçid filtri bəlkə də 50 kHz-də yerləşir.

Həqiqi misal: bir dəfə 500kHz dollar çeviricisi etdi, lövhəni kiçiltmək üçün 1MHz-ə getməyə çalışdı. Səmərəlilik 4% azalıb (88%-dən 84%-ə qədər). Bu, 200W təchizatında 8W əlavə istilik deməkdir. Daha böyük soyuducuya ehtiyac duyuldu, daha kiçik induktordan bütün yer qənaətini itirdi. 500 kHz-də qaldı.

PWM

8-bit PWM (256 addım) siz LED-i 100%-dən 0%-ə qədər rəvan şəkildə tutmağa cəhd edənə qədər yaxşı səslənir. 10% iş dövründən aşağı parlaqlıqda görünən addımlar əldə edirsiniz. İnsan gözü loqarifmikdir - aşağı işıq səviyyələrində dəyişikliklərə daha çox həssasdır. Bütün diapazonda hamar qaralma üçün minimum 12 bit (4096 addım) lazımdır.

Ancaq diqqəti çəkən məqam budur: 20kHz-də 12-bit sizə 20kHz × 4096=81.92MHz taymer saatına ehtiyacınız deməkdir. Bütün mikroblar bunu edə bilməz. Əgər 12 bitlik çoxlu müstəqil PWM kanallarına ehtiyacınız varsa, siz xüsusi taymer periferiyalarına və ya FPGA-ya baxırsınız.

Çözüm: 8{6}}bit PWM istifadə edin, lakin tezliyi dinamik olaraq tənzimləyin. Yüksək parlaqlıqda 20kHz, aşağı parlaqlıqda isə 100Hz-ə enir. Lazım olan yerdə sizə daha incə addımlar verir. Ancaq indi həll etmək üçün dəyişən tezlikli EMI var. Heç nə pulsuz deyil.

Sənaye VFD-ləri (dəyişən tezlikli sürücülər) 480VAC-da yüzlərlə amperi dəyişdirir. Nəzarət strategiyası daha mürəkkəb-kosmik vektor modulyasiyası, sahə{3}}yönümlü idarəetmə, nə olursa olsun-amma bunun altında hələ də üç fazalı körpüdə altı IGBT-ni dəyişdirən PWM var.

Bu miqyasda fərqlər:

Qapı sürücülərinə 15V təcrid olunmuş təchizat lazımdır. Bu, 680VDC-ə (düzəliş edilmiş 480VAC) qədər müxtəlif potensiallarda üzən 6 təcrid olunmuş təchizatdır. Hər bir sürücünün öz gücünə, öz qapı rezistoruna (0,5-2Ω tipik), özünün həddindən artıq cərəyandan qorunması lazımdır.

IGBT-lər MOSFET-lərdən daha yavaş olduğu üçün son vaxt 2-5µs-ə qədər artır

Çıxışda dv/dt filtrləri, çünki mühərrik kabelinin tutumu və sürətli keçid kənarları böyük ümumi-rejim cərəyanlarına səbəb olur. Mən mühərrik cərəyanından tamamilə ayrı, 5HP mühərrik kabelində 20A ümumi rejim cərəyanını ölçdüm. Buna görə qorunan kabellər və düzgün torpaqlama lazımdır.

Termal: 50kW-da hətta 2% itki 1kW istilikdir. Axın açarları və temperatur kilidləri ilə suyun soyudulması. Əgər soyuducu axını həddən aşağı düşərsə, nəzarətçi çıxışları dərhal söndürür. Görünən sistemlər yanıb, çünki kimsə soyuducu səviyyəsini yoxlamağı unutdu.

Komponent seçimi qəribə olur. 100A davamlı olaraq qiymətləndirilən bir IGBT yalnız 50 dərəcə mühitdə 80A, 70 dərəcə 60A ilə işləyə bilər. Lakin böyük bir mühərriki işə salmaq bir neçə saniyə ərzində 6x nominal cərəyanı çəkir. Beləliklə, siz sabit-vəziyyətə deyil, pik üçün ölçü götürürsünüz, sonra temperatur üçün azaldırsınız. "100A" tətbiqi üçün 300A IGBT ilə sona çatın. BOM dəyəri satınalmanı çox bədbəxt edir.

STM32 taymerləri: əksəriyyətində 16 bitlik PWM var, bəzi modellər 32 bitə keçir, lakin buna nadir hallarda ehtiyacınız olur. Daha vacib olan müqayisə kanallarının və bir-birini tamamlayan çıxışların sayıdır. F4 seriyasındakı TIM1 və TIM8-in hər birində tamamlayıcı çıxışlar və proqramlaşdırıla bilən ölü vaxtı daxil edən dörd müqayisəli kanal var. Motor nəzarəti üçün mükəmməldir.

Problem: bir taymerdəki bütün PWM kanalları eyni sayğacla sinxronlaşdırılır. Müstəqil tezliklərə ehtiyacınız varsa, ayrıca taymerlərə ehtiyacınız var. Qabaqcıl funksiyaları olan çox sayda taymer var. STM32F4-də siz təkmil idarəetmə üçün TIM1, TIM8 əldə edirsiniz. Əsas PWM üçün TIM2-5. TIM9-14 16 bitlikdir, ölü zaman yaratmadan. Tətbiq çoxlu təcrid olunmuş PWM siqnallarına ehtiyac duyarsa, siz tez tükənirsiniz.

Taymer kanalları bitdiyinə görə proqramda PWM-i döydükləri-dizaynlar görüldü. Dəhşətli fikir. Titrəmə, CPU yükü, başqaları yanğını kəsdikdə prioritet çevrilmə. Daha çox taymerli mikro üçün əlavə $2 ödəyin və ya xarici PWM IC (məsələn, PCA9685) istifadə edin. Gələcək özünüz sizə təşəkkür edəcək.

ESP32 LED PWM periferiyasından istifadə edən 16 PWM kanalına malikdir. Onların hamısı bir 80MHz APB saatından əldə edildiyi və bölücüləri qruplarda paylaşması istisna olmaqla, əla səslənir. Fərqli tezliklər istəyirsiniz? Ümid edirik ki, onlar tam əmsallardır. Eyni əsas saatdan istifadə etdiyi üçün tezlik artdıqca qətnamə də azalır. 20 kHz-də siz 12 bit əldə edirsiniz, 40 kHz-də 11 bitə enirsiniz və s. Datasheet bunu açıq şəkildə göstərmir.

Yayılmış{0}}spektr PWM: sabit tezlik əvəzinə, onu təsadüfi olaraq ±10% tənzimləyirsiniz. EMI-ni daha geniş tezlik diapazonuna yayır, pik emissiyaları azaldır. Çox filtrləmə aparatı olmadan FCC/CE testindən keçməyə kömək edir. Müasir SMPS çiplərinin əksəriyyətində bu quraşdırılmışdır. Cypress PSoC hətta sizə -mişar dişi, üçbucaqlı, psevdo-təsadüfi dithering modelini idarə etməyə imkan verir.

Interleaved PWM: birdən çox çeviricini fazadan çıxarın. 180 dərəcə faza sürüşməsində iki çevirici, giriş kondansatörünün dalğalanma cərəyanının yarısını gördüyünü bildirir. 90 dərəcə faza sürüşməsində dörd çevirici dalğalanmanın dörddə birini-kəsdirir. Amma indi kanallar arasında dəqiq faza sinxronizasiyasına və yük balansına ehtiyacınız var ki, onlar cərəyanı bərabər şəkildə paylaşsınlar. Mikroda kifayət qədər resurs yoxdursa, adətən xüsusi nəzarətçi IC lazımdır.

GaN FET-lər 10 ns-dən aşağı keçə bilər. 10MHz+ PWM tezliklərini açır-induktorlar kiçik olur, demək olar ki, sadəcə PCB izləri olur. Ancaq: lövhənin düzülüşü kritikdir, qapı sürücüsü ciddi diqqət tələb edir, hər hansı bir endüktans kütləvi aşmağa səbəb olur. Yeni başlayanlar üçün deyil. 2x VDD üçün GaN dizayn halqası görüldü, çünki kimsə 5 sm uzunluqlu iz uzunluğuna malik standart qapı sürücüsündən istifadə etdi. FETÖ sağ qalmadı.

PWM

Əksər məhsullar üçün: 20kHz, aparat taymer PWM, 10-bit ayırdetmə. Motorun idarə edilməsi və LED qaralması üçün çoxlu. Qapı sürücüsü IC (pik cərəyan minimumu 2A), FET drenajında aşağı ESR keramika qapaqları, yağlı torpaq müstəvisi əlavə edin. Birinci prototipdəki əhatə dairəsi ilə keçid dalğa formalarını yoxlayın, bir dəfə təkrarlamağı gözləyin.

10A-dan yuxarı hər hansı bir şey üçün davamlı, layoutdan əvvəl istilik simulyasiyası. Mən ANSYS-dən istifadə edirəm, lakin hətta əsas FEA ən çox problemi həll edir. İtkiləri olan mis təbəqələrini istilik mənbəyi kimi ixrac edin, sərhəd şərtlərini təyin edin, maksimum mühitdə hər hansı bir şeyin 125 dərəcə qovşaq tempinə çatdığını yoxlayın. 50 Vt-dan çox enerji dəyişdirirsinizsə, adətən istilik qurğuları və ya məcburi hava lazımdır.

Və temperaturda sınaqdan keçirin. Otaq temperaturu testi problemlərin bəlkə də 60%-ni tutur. 8 saat ərzində 70 dərəcə ətraf mühitdə isti-qutu qalan-termal qaçaq, qapı həddinin dəyişməsi, kondansatör ESR artımını tapır. Dizayn 25 dərəcədə yaxşı işləyəndə həftədə bir dəfə mənə başa gəldi, lakin FET 65 dərəcəyə çatdı, çünki mən həddi gərginlik temperaturu əmsalını nəzərə almadım.

Bu PWM-dir. Sadə konsepsiya, sonsuz detallar.

Sonuncu şey: əgər siz batareya ilə işləyən PWM ilə-işləyirsinizsə, hüceyrələrə ucuz qiymət qoymayın. Bir dəfə -adsız litium paketləri sınadım, dalğalanma cərəyanına tab gətirə bilmədi-, yük altında gərginlik azaldı, bütün sistem qaraldı. Düzgünə keçdiion litium batareyalayiqli C-reytinqi olan modullar, problem aradan qalxdı. Paket başına əlavə 15 dollar məni həftədə üç dəstək zəngindən xilas etdi.