PWM дегеніміз не?

PWM импульстік ені модуляциясын білдіреді. Сіз орташа қуат беруді бақылау үшін -қосу уақыты мен өшіру уақыты- арақатынасын өзгерте отырып, тұрақты жиілікте кернеуді қосып, өшіріп жатырсыз. Міне бітті. Қалғаны салдарымен ғана айналысады.

3 В қажет жарықдиодты басқаратын 12 В қорегін алыңыз. Әдетте сіз резисторды немесе сызықтық реттегішті пайдаланасыз, жылу ретінде 9 В-ты өшіресіз. Ақымақ қалдықтар. PWM көмегімен сіз толық 12 В кернеуін тез қосасыз және өшіресіз, бұл жарық диодының жылу массасы оны орташа есеппен . 25% жұмыс циклі сізге шамамен 3 В эквивалентін береді. Жарық диодты шам 1кГц жиілікте 12В → 0В → 12В → 0В көреді, бірақ ол соншалықты тез суытып, қыза алмайды, сондықтан жарықтық тұрақты болып қалады.

Жиілік маңызды. Тым баяу (100 Гц-тен төмен) және сіз көрінетін жыпылықтайсыз. Кейбір адамдар жыпылықтауды 200 Гц-ке дейін көреді. Қауіпсіз болу үшін мен әдетте жарықдиодты күңгірттеуді 20 кГц жиілікте іске қосамын{6}}сонымен қатар механикалық қосылыс болған кезде оны дыбыстық диапазоннан тыс ұстайды. Ауысу жылдамдығы шығындарға да әсер етеді, бірақ біз оған жетеміз.

Математика: егер сіздің кезеңіңіз T болса және -қосу уақыты t болса, жұмыс циклі D=т/Т. Қарапайым. Жеткізілетін қуат шамамен D × V_жабдықтау × I_жүктеме, жоғалтуларды алып тастағанда. Бұл жоғалтулар қызықты болатын жерде.

Бірінші себеп: тиімділік. Қаныққандықтағы MOSFET ақылға қонымды токтарда 0,1-0,2 В төмендеуі мүмкін. MOSFET өшірулі микроамперлерді тартады. Сонымен, сіз (0,1 В × ток) тарайсыз немесе негізінен ештеңе жоқ. Мұны үздіксіз 9 В-ты толық токта түсіретін сызықтық реттегішпен салыстырыңыз. Батареяның қызмет ету мерзімінің айырмашылығы кейбір жағдайларда 40-50x құрайды, бұл артық емес.

Екіншіден: сіз арзанырақ қуат көздерін пайдалана аласыз. 48 В қозғалтқышты айнымалы жылдамдықпен жүргізу керек пе? Аналогтық басқарумен сізге қымбат айнымалы 0-48В қорек қажет. PWM көмегімен сіз бекітілген 48 В қоректенуін (арзан) және MOSFET (сонымен қатар арзан) пайдаланасыз. Дайын.

Үшінші себеп ешкім айтпайды: сатып алу. Көлемдегі жақсы айнымалы аналогты жабдықтауды іздеп көріңіз. Жеткізу уақыты лайықты өндірушілерден кем дегенде 26 апта. MOSFET? Digikey-де бәрі бар. Өндіріс сізге айқайлағанда, бұл BOM құнынан маңыздырақ.

PWM

EMI сізді бұзады. Алғаш рет жоғары{1}}ток PWM тақтасын (тұрақты ток қозғалтқышы үшін 120А) жасадым, ол сол көліктегі CAN шинасын өлтірді. Бүлінбеген пакеттер-толық өлі. Менің қақпаның жетегінің қоңырауы шасси жері арқылы қосылып, CAN дифференциалдық жұбында 40 В шыбықтарын тудырғаны белгілі болды. Феррит моншақтар қосылды, айналадағы жерлер қозғалды, әлі де мәселелер болды. Ақырында қозғалтқыштың қуат көзіне пи сүзгісін қосып, жердегі жазықтықтарды бір-нүктелік қосылыммен бөлуге тура келді. Тақтаның үш айналымын алды.

Gate Drive көрінгеннен қиынырақ. Драйверден MOSFET қақпасына-жоғары ди/дт кезінде индуктивтілік мәселелерін қадағалайтын төмен кедергі қажет. Мен 10нН іздік индуктивтіліктің коммутация кезінде 50В кернеудің жоғарылауына әкелетінін көрдім (V=L × di/dt). Бұл 60 В номиналды MOSFET арқылы өту үшін жеткілікті. Адамдар математика туралы дауласады, бірақ мен оны ауқымда көрдім: 3А/нс токты 10нН-ге ауыстыру сізге 30В ұшқын береді. Қоректену кернеуін қосыңыз және сіз абсолютті максималды рейтингтен асып кеттіңіз.

Содан кейін -H-көпірлер арқылы түсірілім болады. Төменгі жақтағы FET -өшіру мен жоғарғы- жақтан бұрылу (және керісінше) арасында тынық болу керек. Нөлдік өшіру уақыты екі FET бір уақытта -қоректенуден жерге FET арнасының кедергілері арқылы тікелей қысқа жұмыс жүргізетінін білдіреді. 50А-дан 0,01Ω екі есеге дейін заттар жарылғанға дейін микросекундтар үшін әлі де 1000А болады. Сәтсіздік режимі керемет: кремнийдегі кішігірім кратер, FET тұрақты түрде қысқарады, тізбектегі қалғанның бәрін алып тастайды.

Бірақ тым көп өлі уақыт және дене диоды өлі кезеңде өткізеді. Корпус диодтары қорқынышты{1}}алға қарай төмен түсу (1-2В), қалпына келтіру баяу. Сіз тиімділікті жоғалтып, көбірек жылу шығарасыз. Сауда-саттық әдетте сіздің FET-тің ауысу сипаттамаларына байланысты 100-500ns өлі уақытты құрайды.

Әр адамның бірінші инстинкті: жоғары жиілік=кіші индукторлар/конденсаторлар=арзанырақ. Кейде шын. Бірақ ауысу шығындары жиілікпен артады{4}}сіз FET ауысқан сайын энергияны жоғалтасыз. ESwitching ≈ 0,5 × Vжабдық × Жүктеме × (үштік + tfall) × fsw. Жиілікті екі есе, коммутациялық жоғалтуды екі есе арттырыңыз.

Мотор жетектері үшін 20 кГц жиі кездеседі. Дыбыстыдан жоғары, механикалық уақыт тұрақтылары маңызды емес. Бірақ ноутбуктың қуат көзінде сіз 300 кГц-1 МГц көресіз. Неліктен? Кіші магнит. 1 МГц индуктивті катушка физикалық түрде бірдей индуктивтілігі бар 20 кГц индуктивтіліктің 1/50 бөлігін құрайды. Бұл портативті құрылғылар үшін өте үлкен. Сауда - сізге жылдамырақ FET (төменгі Qg), жақсырақ орналасу, мұқият драйвер дизайны қажет.

Аудио (D класындағы күшейткіштер) 250 кГц-1 МГц жиілікте жұмыс істейді. 200 кГц төмен және сіз тасымалдаушы жиілігін жоғары-шығыс ретінде ести аласыз. 1МГц-тен жоғары және сіз AM радио кедергілерімен күресе бастайсыз. Көптеген конструкциялар 400-500 кГц жиілікте орналасады, тасымалдаушыны жою үшін төмен жиіліктегі сүзгі 50 кГц болуы мүмкін.

Нақты мысал: 500 кГц бак түрлендіргішін бір рет жасадым, тақтаны кішірейту үшін 1 МГц-ке өтуге тырыстым. Тиімділік 4%-ға төмендеді (88%-дан 84%-ға дейін). Бұл 200 Вт қуаттағы 8 Вт қосымша жылу. Үлкенірек радиатор қажет болды, кішірек индуктордан барлық кеңістікті үнемдеді. 500 кГц жиілікте қалды.

PWM

8-биттік PWM (256 қадам) жарық диодты шамды 100%-дан 0%-ға дейін біркелкі күңгірттеуге тырысқанша жақсы естіледі. 10% жұмыс циклінен төмен жарықтықта көрінетін қадамдарды аласыз. Адамның көзі логарифмдік - жарықтың төмен деңгейіндегі өзгерістерге әлдеқайда сезімтал. Толық ауқымда тегіс күңгірттеу үшін кемінде 12 бит (4096 қадам) қажет.

Бірақ міне, 20 кГц жиіліктегі 12 бит сізге 20 кГц × 4096=81.92 МГц таймер сағаты қажет екенін білдіреді. Барлық микроорганизмдер мұны істей алмайды. Егер сізге 12-биттік бірнеше тәуелсіз PWM арналары қажет болса, сіз арнайы таймер перифериялық құрылғыларын немесе FPGA-ны қарап жатырсыз.

Шешім: 8-биттік PWM пайдаланыңыз, бірақ жиілікті динамикалық түрде реттеңіз. Жоғары жарықтықта 20 кГц жұмыс істейді, төмен жарықтықта 100 Гц дейін төмендейді. Сізге қажет жерде жақсырақ қадамдар береді. Бірақ қазір сізде айнымалы жиілікті EMI бар. Ештеңе тегін емес.

Өнеркәсіптік VFD (айнымалы жиілікті жетектер) 480ВАС-та жүздеген амперді ауыстырады. Басқару стратегиясы күрделірек-ғарыштық векторлық модуляция, өріс{3}}бағытталған басқару, кез келген нәрсе-бірақ оның астында әлі де PWM үш фазалы көпірде алты IGBT ауыстыратын-.

Бұл шкаладағы айырмашылықтар:

Қақпа жүргізушілеріне 15 В оқшауланған қорек қажет. Бұл 680VDC (түзетілген 480VAC) дейін әртүрлі потенциалдарда қалқымалы 6 оқшауланған жабдық. Әрбір драйверге өз қуаты, өз қақпасының резисторы (типтік 0,5-2Ω), өзінің артық ток қорғанысы қажет.

Өлі уақыт 2-5μс дейін артады, себебі IGBTs MOSFET-терге қарағанда баяу

шығыстағы dv/dt сүзгілері, себебі мотор кабелінің сыйымдылығы және жылдам ауысу жиектері үлкен жалпы{0}}режимдік токтарды тудырады. Мен 5 HP мотор кабелінде қозғалтқыш токынан толығымен бөлек -ортақ режимдегі 20А токты өлшедім. Сондықтан сізге экрандалған кабельдер мен дұрыс жерге қосу қажет.

Жылулық: 50кВт-та тіпті 2% жоғалту 1кВт жылуды құрайды. Ағынды ажыратқыштармен және температура блоктарымен суды салқындату. Салқындату сұйықтығы ағыны шекті мәннен төмен түссе, контроллер шығыстарды дереу өшіреді. Біреу салқындатқыштың деңгейін тексеруді ұмытып кеткендіктен, көрінген жүйелер өртеніп кетті.

Компоненттерді таңдау біртүрлі болады. Үздіксіз 100А үшін есептелген IGBT тек 50 градустық ортада 80А, 70 градуста 60А жұмыс істей алады. Бірақ үлкен қозғалтқышты іске қосу бірнеше секунд ішінде 6x номиналды токты тартады. Осылайша сіз тұрақты күйге емес, ең жоғарғы-күйге қарай өлшейсіз, содан кейін температура үшін төмендетіңіз. «100А» қолданбасы үшін 300A IGBT-мен аяқтаңыз. BOM құны сатып алуды өте бақытсыз етеді.

STM32 таймерлері: көпшілігінде 16 биттік PWM бар, кейбір үлгілер 32 биттікке ауысады, бірақ сізге сирек қажет. Ең бастысы, салыстыру арналары мен қосымша шығыстардың саны. F4 сериясындағы TIM1 және TIM8 әрқайсысының қосымша шығыстары және бағдарламаланатын өлі уақыт кірістіруі бар төрт салыстыру арнасы бар. Моторды басқаруға өте ыңғайлы.

Мәселе: бір таймердегі барлық PWM арналары бір есептегішпен синхрондалады. Егер сізге тәуелсіз жиіліктер қажет болса, сізге бөлек таймерлер қажет. Жетілдірілген мүмкіндіктері бар таймерлер өте көп. STM32F4 жүйесінде кеңейтілген басқару үшін TIM1, TIM8 аласыз. Негізгі PWM үшін TIM2-5. TIM9-14 - 16-биттік, өлу уақыты жоқ. Қолданбаға бірнеше оқшауланған PWM сигналдары қажет болса, сіз тез бітеді.

Таймер арналары таусылғандықтан, бағдарламалық жасақтамадағы PWM-ді-жарып жіберген дизайндар көрінді. Қорқынышты идея. Діріл, процессордың үстеме шығыны, басқалар өртті үзген кездегі басымды инверсия. Көбірек таймерлері бар микро үшін қосымша $2 төлеңіз немесе сыртқы PWM IC пайдаланыңыз (мысалы, PCA9685). Сіздің болашақ өзіңіз сізге рахмет айтады.

ESP32-де LED PWM перифериялық құрылғысын пайдаланатын 16 PWM арнасы бар. Керемет естіледі, тек олардың барлығы бір 80 МГц APB сағатынан алынған және бөлгіштерді топтарда бөліседі. Әртүрлі жиіліктерді қалайсыз ба? Олар бүтін сандар деп үміттенемін. Сондай-ақ жиілік артқан сайын ажыратымдылық төмендейді, себебі ол бірдей негізгі сағатты пайдаланады. 20 кГц жиілікте 12 бит, 40 кГц жиілікте 11 битке дейін төмендейді, т.б.. Деректер парағы мұны анық көрсетпейді.

Spread{0}}спектр PWM: тіркелген жиіліктің орнына сіз оны кездейсоқ ±10% өзгертесіз. EMI кеңірек жиілік диапазонында таратады, ең жоғары шығарындыларды азайтады. FCC/CE сынауынан көп сүзгі жабдығынсыз өтуге көмектеседі. Көптеген заманауи SMPS чиптерінде бұл кіріктірілген. Cypress PSoC тіпті дитирлеу үлгісін-ара, үшбұрышты, жалған{7}}кездейсоқ басқаруға мүмкіндік береді.

Interleaved PWM: бірнеше түрлендіргішті фазадан тыс іске қосыңыз. 180 градустық фазалық ауысымдағы екі түрлендіргіш кіріс конденсаторы толқындық токтың жартысын көретінін білдіреді. 90 градустық фазалық ығысудағы төрт түрлендіргіш- толқынның төрттен бір бөлігін бөледі. Бірақ енді арналар арасында дәл фазалық синхрондау және жүктемені теңестіру қажет, осылайша олар токты бірдей бөліседі. Микро компьютерде жеткілікті ресурстар болмаса, әдетте арнайы IC контроллері қажет.

GaN FETs 10 ns-тен төмен ауыса алады. 10МГц+ PWM жиіліктерін ашады-индукторлар кішкентай болады, ПХД ізі дерлік. Бірақ: тақтаның орналасуы өте маңызды, қақпа жетекіне үлкен назар аудару қажет, кез келген индуктивтілік жаппай асып кетуді тудырады. Жаңадан бастағандар үшін емес. 2x VDD үшін GaN дизайн сақинасын көрдім, себебі біреу ұзындығы 5 см болатын стандартты қақпа драйверін пайдаланды. FET аман қалмады.

PWM

Көптеген заттар үшін: 20кГц, PWM аппараттық таймері, 10-разряд. Моторды басқару және жарық диодты күңгірттеу үшін көп. Қақпа драйверін IC (ең төменгі ток 2А), төмен ESR керамикалық қақпақтарды тікелей FET төгетін жерге, майлы жер жазықтығына қосыңыз. Бірінші прототиптегі ауқыммен ауысу толқын пішіндерін тексеріңіз, бір рет қайталауды күтіңіз.

Үздіксіз 10А жоғары кез келген нәрсе үшін орналасу алдында термиялық модельдеу. Мен ANSYS қолданамын, бірақ тіпті қарапайым FEA көптеген мәселелерді шешеді. Шығындары бар мыс қабаттарын жылу көздері ретінде экспорттаңыз, шекаралық шарттарды орнатыңыз, қоршаған ортаның максимумында 125 градустық түйісу температурасына кез келген нәрсені тексеріңіз. Қуатты 50 Вт-тан жоғары ауыстырып жатсаңыз, әдетте радиаторлар немесе мәжбүрлі ауа қажет.

Және оны температурада сынап көріңіз. Бөлме температурасын сынау мәселелердің 60%-ын анықтайды. Ыстық -қорап 70 градустық қоршаған ортада 8 сағат бойы қалған -термиялық қашуды, қақпа табалдырығын ауыстыруды, конденсатордың ESR жоғарылауын табады. Маған аптасына бір рет дизайн 25 градуста жақсы жұмыс істегенде, бірақ FET 65 градусқа көтерілді, өйткені мен шекті кернеу температурасының коэффициентін есепке алмадым.

Бұл PWM. Қарапайым тұжырымдама, шексіз бөлшектер.

Соңғысы: егер сіз батареямен жұмыс істейтін{0}}PWM заттарын жасап жатсаңыз, ұяшықтарды арзанға шығармаңыз. Кейбір -атауы жоқ литий пакеттерін бір рет қолданып көрдім, олар толқындық токты көтере алмады, жүктеме кезінде кернеу төмендеді, бүкіл жүйе қызарып кетті. Тиістіге ауыстырылдыиондық литий батареясылайықты C{0}}бағасы бар модульдер, мәселе жойылды. Әр пакетке қосымша 15 доллар мені аптасына үш қолдау қоңырауынан құтқарды.