Cosa hè PWM?

PWM sta per Pulse Width Modulation. Accende e spegne a tensione à una freccia fissa, cambiendu u rapportu di u-tempu d'accensione à u tempu di spegnimentu- per cuntrullà a consegna di energia media. Eccu. U restu hè solu di trattà cù e cunsequenze.

Pigliate un fornimentu di 12V chì guidanu un LED chì necessita 3V. Normalmente avete aduprà una resistenza o un regulatore lineare, brusgiate 9V cum'è calore. I rifiuti stupidi. Cù PWM, accende è spegne a piena 12V abbastanza veloce chì a massa termica di u LED hè in media di u . 25% di u ciclu di travagliu vi dà circa 3V equivalente. U LED vede 12V → 0V → 12V → 0V à forse 1kHz, ma ùn pò micca rinfriscà è riscalda cusì veloce, cusì a luminosità ferma constante.

A frequenza importa. Troppu lento (sottu 100Hz) è avete un sfarfallu visibile. Alcune persone vedenu sfarfalli finu à 200 Hz. Di solitu eseguiu dimming LED à 20kHz solu per esse sicuru -a mantene ancu fora di a gamma audible s'ellu ci hè un accoppiamentu meccanicu. U cambiamentu di a velocità afecta ancu e perdite, ma andemu à questu.

A matematica: se u vostru periodu hè T è u -tempu hè t, ciculu duty D=t/T. Semplice. A putenza furnita hè di circa D × V_supply × I_load, minus perdite. Quelli perditi sò induve e cose diventanu interessanti.

Prima ragione: efficienza. MOSFET in saturazione gocce forse 0.1-0.2V à currenti ragiunate. MOSFET off attira microampere. Allora sì o dissipate (0.1V × currente) o basicamente nunda. Comparate quellu à un regulatore lineare chì cade 9V à piena corrente continuamente. A diffarenza di a vita di a bateria hè 40-50x in certi casi, senza esagerazione.

Siconda: pudete aduprà alimentazione più economica. Avete bisognu di guidà un mutore 48V à velocità variabile? Cù u cuntrollu analogicu avete bisognu di un costu variabile 0-48V supply. Cù PWM aduprate un fornimentu fissu di 48V (ecunomicu) è un MOSFET (ancu à prezzu). Fattu.

U terzu mutivu chì nimu ùn parla: l'acquistu. Pruvate di furnisce un bonu suministru analogicu variabile in voluminu. I tempi di consegna sò 26 settimane minimu da i fabricatori decenti. MOSFET? Tuttu hè in stock à Digikey. Quandu a produzzione ti grida, questu importa più di u costu BOM.

PWM

L'EMI ti chjappà. A prima volta ch'e aghju fattu una tavola PWM alta -(120A per un mutore DC), hà uccisu u bus CAN in u stessu veiculu. Pacchetti micca currutti-completamente mortu. Risultava chì u mo sonu di l'unità di a porta era accoppiatu à traversu a terra di u chassis, inducendu picchi di 40V nantu à a coppia differenziale CAN. Aghjunghjite perle di ferrite, sposti terreni intornu, anu avutu sempre prublemi. Eventualmente hà avutu à aghjunghje un filtru pi nantu à l'alimentazione di u mutore è separà i piani di terra cù una cunnessione unicu -puntu. Pigliò trè giri di bordu.

L'unità di porta hè più dura di ciò chì pare. Avete bisognu di una bassa impedenza da u vostru driver à a porta MOSFET -trace inductance matters at high di/dt. Aghju vistu 10nH di induttanza di traccia causanu picchi di tensione di 50V durante u cambiamentu (V=L × di / dt). Hè abbastanza per punch through a 60V rated MOSFET. A ghjente discute nantu à a matematica, ma l'aghju vistu nantu à u scopu: 3A / ns chì cambia a corrente in 10nH vi dà 30V spike. Aghjunghjite a tensione di furnimentu è avete sopra à a valutazione massima assoluta.

Dopu ci hè sparata -attraversu in H-ponti. Duvete avè un tempu mortu trà disattivà u FET -latu bassu è accende u latu-altu (è vice versa). Tempu mortu zero significa chì i dui FET conducenu simultaneamente -direttamente cortu da u fornimentu à a terra attraversu e resistenze di u canali FET. 50A à traversu 0.01Ω duie volte hè sempre 1000A per i microsecondi prima chì e cose scoppianu. U modu di fallimentu hè spettaculare: picculu crateru in u silicuu, FET va in permanenza curta, caccià tuttu u restu in a catena.

Ma troppu tempu mortu è u diodu di u corpu conduce durante u periodu mortu. I diodi di u corpu sò terribili -alta caduta in avanti (1-2V), ricuperazione lenta. Perdite efficienza è generà più calore. U scambiu hè di solitu 100-500ns di tempu mortu secondu e caratteristiche di commutazione di u vostru FET.

U primu stintu di tutti: frequenza più alta=induttori / condensatori più chjuchi=più prezzu. Calchì volta vera. Ma e perdite di cunversione aumentanu cù a frequenza-perdi energia ogni volta chì a transizione FET. ESwitching ≈ 0,5 × Vsupply × Iload × (trise + tfall) × fsw. Doppiu a frequenza, doppia a perdita di commutazione.

Per i motori, 20kHz hè cumuni. Sopra l'audible, i custanti di u tempu meccanicu ùn importa micca. Ma in l'alimentazione di un laptop vede 300kHz-1MHz. Perchè? Magneti più chjucu. Un induttore di 1MHz hè fisicamente 1/50th a dimensione di un induttore di 20kHz cù a listessa induttanza. Questu hè enormu per i dispositi portatili. U scambiu hè chì avete bisognu di FET più veloci (Qg più bassu), layout megliu, cuncepimentu di driver più attentu.

L'audio (amplificatori di Classe D) funziona à 250kHz-1MHz. Sottu à 200kHz è pudete sente a freccia di u trasportatore cum'è un lamentu -altu. Sopra 1MHz è cuminciate à luttà cù l'interferenza radio AM. A maiò parte di i disinni si stallanu à 400-500kHz, filtru low-pass à forse 50kHz per sguassà u trasportatore.

Esempiu veru: hà fattu un cunvertitore buck 500kHz una volta, pruvatu à andà à 1MHz per riduce u bordu. L'efficienza hè cascata di 4% (da 88% à 84%). Hè 8W di calore extra in un supply 200W. Hè necessariu un dissipatore di calore più grande, persu tutti i risparmi di spaziu da l'induttore più chjucu. Stà à 500 kHz.

PWM

8-bit PWM (256 passi) sona bè finu à chì pruvate di dim un LED lisu da 100% à 0%. Sottu à u 10% di u ciclu di duty avete passi visibili in luminosità. L'ochju umanu hè logaritmicu - assai più sensibile à i cambiamenti à livelli di luce bassu. Avete bisognu di 12-bit (4096 passi) minimu per una dimming liscia in tutta a gamma.

Ma quì hè u catch: 12-bit à 20kHz significa chì avete bisognu di 20kHz × 4096=81.92MHz timer clock. Micca tutti i micros ponu fà quessa. È se avete bisognu di più canali PWM indipendenti à 12-bit, cercate periferiche timer dedicate o un FPGA.

Soluzione: utilizate 8-bit PWM ma aghjustate a frequenza dinamicamente. À alta luminosità corre 20kHz, à bassa luminosità scende à 100Hz. Vi dà passi più fini induve ne avete bisognu. Ma avà avete EMI di frequenza variabile per trattà. Nunda hè liberu.

I VFD industriali (unità di frequenza variabile) cambianu centinaie di amps à 480VAC. A strategia di cuntrollu hè più cumplessa-modulazione di u vettore spaziale, u cuntrollu di u campu -orientatu à u campu, qualunque sia-ma sottu hè sempre PWM chì cambia sei IGBT in un ponte di tri-fasi.

Differenze à questa scala:

I cunduttori di porta necessitanu forniture isolate 15V. Hè 6 forniture isolate chì flottanu à sfarenti putenziali finu à 680VDC (rettificatu 480VAC). Ogni cunduttore hà bisognu di a so propria putenza, a so propria resistenza di porta (0,5-2Ω tipica), a so propria prutezzione di sovracorrente.

U tempu mortu aumenta à 2-5µs perchè l'IGBT sò più lenti cà i MOSFET

dv/dt filtri nantu à l'output perchè a capacità di u cable di u mutore più i bordi di commutazione veloce causanu enormi correnti cumuni di -modu. Aghju misuratu 20A di corrente di modu cumunu -in un cable di mutore 5HP, completamente separatu da a corrente di u mutore. Hè per quessa chì avete bisognu di cavi schermati è di messa a terra adatta.

Thermal: ancu 2% di perdita à 50kW hè 1kW di calore. Raffreddamentu d'acqua cù interruttori di flussu è interlocks di temperatura. Se u flussu di refrigerante scende sottu à a soglia, u controller disattiva immediatamente i outputs. I sistemi visti brusgianu perchè qualchissia s'hè scurdatu di verificà u nivellu di refrigerante.

A selezzione di cumpunenti diventa strana. Un IGBT classificatu per 100A cuntinuu puderia solu gestisce 80A à 50 gradi ambientale, 60A à 70 gradi. Ma l'iniziu di un grande mutore tira una corrente nominale 6x per parechji sicondi. Allora dimensionate per u piccu, micca u{9}}state, poi diminuite per a temperatura. Finite cù un IGBT 300A per una applicazione "100A". U costu BOM rende l'acquistu assai infelice.

STM32 timers: a maiò parte anu PWM 16-bit, certi mudelli passanu à 32-bit, ma raramenti ne avete bisognu. Ciò chì importa più hè u numeru di canali paragunate è outputs cumplementarii. TIM1 è TIM8 nantu à a serie F4 anu quattru canali di paragone ognunu cù outputs cumplementarii è inserimentu di tempu mortu programabile. Perfetta per u cuntrollu di u mutore.

Prublemu: tutti i canali PWM in un timer sò sincronizati à u stessu contatore. Sè avete bisognu di frequenze indipendenti, avete bisognu di timer separati. È ci sò solu tanti timers cù funzioni avanzate. In u STM32F4 avete TIM1, TIM8 per un cuntrollu avanzatu. TIM2-5 per PWM di basa. TIM9-14 sò 16-bit senza generazione di tempu mortu. Escete prestu se l'applicazione necessita di parechji segnali PWM isolati.

Visti disinni induve morse -bang PWM in u software perchè anu finitu i canali di timer. Idea terribili. Jitter, CPU overhead, inversione di priorità quandu altri interrompe u focu. Basta pagà $ 2 extra per un micro cù più timers o utilizate un IC PWM esternu (cum'è PCA9685). U vostru futuru vi ringrazierà.

ESP32 hà 16 canali PWM chì utilizanu u perifericu LED PWM. Sona grande, salvu chì sò tutti derivati da un clock APB 80MHz è sparte divisori in gruppi. Vulete frequenze diverse? Spergu chì sò rapporti interi. Ancu a risuluzione diminuisce cum'è a frequenza aumenta perchè usa u listessu clock di basa. À 20kHz avete 12-bit, à 40kHz vi sò falà à 11-bit, etc. Datasheet ùn rende micca questu evidenti.

Spread-spectrum PWM: invece di freccia fissa, ditherate ± 10% aleatoriamente. Diffonde l'EMI in una gamma di frequenze più larga, riduce l'emissioni di punta. Aiuta à passà a prova FCC / CE senza tanta hardware di filtrazione. A maiò parte di i chip SMPS muderni sò integrati. Cypress PSoC permette ancu di cuntrullà u mudellu di dithering -sawtooth, triangular, pseudo-aleatoriu.

Interleaved PWM: eseguite parechji convertitori fora di fase. Dui cunvertitori à 180 gradi di spostamentu di fase significa chì u condensatore di input vede a mità di a corrente di ondulazione. Quattru cunvertitori à 90 gradi di spostamentu di fase-quarti di l'ondulazione. Ma avà avete bisognu di una sincronizazione precisa di fasi trà i canali è di bilanciamentu di carica per ch'elli spartenu u currenti ugualmente. Di solitu hà bisognu di un controller IC dedicatu, salvu chì u vostru micro hà abbastanza risorse.

I FET GaN ponu cambià in sottu à 10ns. Apertura frequenze PWM 10MHz+-l'induttori diventanu minusculi, quasi solu tracce PCB. Ma: u layout di u bordu hè criticu, l'accionamentu di a porta necessita una attenzione seria, ogni induttanza provoca un overshoot massivu. Micca per i principianti. Vistu un anellu di design GaN à 2x VDD perchè qualchissia hà utilizatu un driver di porta standard cù 5 cm di lunghezza di traccia. U FET ùn hà micca sopravvissutu.

PWM

Per a maiò parte di e cose: 20kHz, timer hardware PWM, risoluzione 10-bit. Un saccu per u cuntrollu di u mutore è u LED dimming. Aghjunghjite un IC di driver di porta (minimu di corrente di punta 2A), tappi di ceramica low-ESR ghjustu à u drenu FET, pianu di terra grassu. Verificate e forme d'onda di commutazione cù un scopu nantu à u primu prototipu, aspettate di iterà una volta.

Per qualcosa sopra à 10A cuntinuu, simulazione termale prima di layout. Aduprà ANSYS ma ancu FEA basica cattura a maiò parte di i prublemi. Esporta i strati di rame cù perdite cum'è fonti di calore, stabilisce e cundizioni di cunfini, verificate se qualcosa tocca a temperatura di junction di 125 gradi à l'ambienti massimu. Di solitu bisognu di dissipatori di calore o aria forzata se cambiate più di 50W.

È pruvà à a temperatura. A prova di a temperatura di a stanza piglia forse u 60% di i prublemi. A scatula calda -a 70 gradi ambientale per 8 ore trova u restu-fuga termale, u cambiamentu di u sogliu di a porta, l'aumentu di l'ESR di u condensatore. Mi costò una settimana una volta quandu un disignu hà travagliatu bè à 25 gradi, ma u FET si chjappà à 65 gradi perchè ùn aghju micca cuntatu per u coefficient di temperatura di tensione di soglia.

Hè PWM. Cuncepimentu simplice, dettagli infiniti.

L'ultima cosa: se fate cose PWM alimentate da batterie-, ùn spende micca e cellule. Pruvatu alcuni pacchetti di lithium senza -nome una volta-ùn pudia trattà a corrente d'ondulazione, a tensione sagged sottu a carica, tuttu u sistema marrone. Cambiatu à propiubatteria ionica di lithiummoduli cù una qualificazione C-decente, u prublema hè sparitu. U $ 15 extra per pacchettu m'hà salvatu da trè chjama di supportu à settimana.