PWM деген эмне?

PWM импульстун кеңдигин модуляциялоону билдирет. Сиз орточо кубаттуулукту көзөмөлдөө үчүн -өчүрүү жана күйгүзүү убактысынын- катышын өзгөртүп, белгиленген жыштыкта чыңалууну күйгүзүп жана өчүрүп жатасыз. Дал ушул. Калганы кесепеттери менен гана күрөшөт.

3V керек болгон LEDди айдаган 12V менен жабдууну алыңыз. Адатта, сиз резисторду же сызыктуу жөнгө салгычты колдоносуз, жылуулук катары 9V күйгүзүңүз. Акылсыз калдык. PWM менен сиз толук 12Вны тез күйгүзөсүз жана өчүрөсүз, ал LEDдин жылуулук массасы орточо эсеп менен . 25% иштөө цикли сизге болжол менен 3В эквивалентти берет. Светодиод 12V → 0V → 12V → 0Vти 1кГцде көрөт, бирок ал ушунчалык тез муздап, ысый албайт, андыктан жарыктык туруктуу бойдон калат.

Жыштык маанилүү. Өтө жай (100 Гцтен төмөн) жана сиз көрүнгөн жыбыроо аласыз. Кээ бир адамдар 200 Гц чейин жыбыртоону көрүшөт. Коопсуз болуу үчүн мен демейде LED күңүртөтүүнү-20кГцде иштетем, ошондой эле кандайдыр бир механикалык байланыш бар болсо, аны угулчу диапазондон алыс кармайм. Которуу ылдамдыгы жоготууларга да таасирин тийгизет, бирок биз ага жетебиз.

Математика: эгерде сиздин мезгилиңиз T болсо жана -убакыт t болсо, милдет цикли D=т/Т. Жөнөкөй. Берилген энергия болжол менен D × V_supply × I_load, минус жоготуулар. Бул жоготуулар кызыктуу болгон жерде.

Биринчи себеп: натыйжалуулук. Каныккандыктагы MOSFET акылга сыярлык токтарда 0,1-0,2V төмөндөйт. MOSFET өчүк микроамперлерди тартат. Демек, сиз (0,1V × ток) же жок болуп жатасыз, же негизинен эч нерсе жок. Муну 9В толук ток менен үзгүлтүксүз түшүрүүчү сызыктуу жөнгө салуучу менен салыштырыңыз. Батареянын иштөө мөөнөтү айырмасы кээ бир учурларда 40-50x, апыртма эмес.

Экинчиден: арзаныраак электр булактарын колдоно аласыз. 48V моторду өзгөрүлмө ылдамдыкта айдоо керекпи? Аналогдук башкаруу менен сиз кымбат өзгөрүлмө 0-48V менен камсыз кылуу керек. PWM менен сиз туруктуу 48V камсыздоону (арзан) жана MOSFETти (ошондой эле арзан) колдоносуз. Бүттү.

Үчүнчү себеп: сатып алуулар жөнүндө эч ким айтпайт. Көлөмү боюнча жакшы өзгөрмөлүү аналогдук камсыздоону издеп көрүңүз. Жеткирүү мөөнөтү татыктуу өндүрүүчүлөрдөн 26 жумадан кем эмес. MOSFETs? Дигикейде баары кампада. Өндүрүш сизге кыйкырып жатканда, бул БОМдун баасынан да маанилүү.

PWM

EMI сени алдайт. Биринчи жолу мен жогорку{1}}токтогу PWM тактасын жасадым (туруктуу токтун мотору үчүн 120А), ал ошол эле унаадагы CAN автобусун өлтүрдү. Бузулган пакеттер-толугу менен өлдү. Көрсө, менин дарбазанын драйвынын шыңгыраганы шасси жерге кошулуп, CAN дифференциалдык жуптарында 40 В тикти пайда кылды. Кошулган феррит мончоктору, жерлерди жылдырган, дагы эле көйгөйлөр бар. Акыр-аягы, мотор менен камсыздоого пи чыпкасын кошуп, жер тегиздиктерин бир- чекиттүү туташуу менен бөлүүгө туура келди. Үч тактайча айланды.

Gate Drive көрүнгөндөн кыйыныраак. Драйвериңизден MOSFET дарбазасына-жогорку ди/дт менен индуктивдүүлүк маселелерин көзөмөлдөөгө төмөн импеданс керек. Мен 10нН трассалык индуктивдүүлүктүн которуштуруу учурунда 50В чыңалуунун көтөрүлүшүнө себеп болгонун көрдүм (V=L × di/dt). Бул 60V бааланган MOSFETти тешип өтүү үчүн жетиштүү. Адамдар математика жөнүндө талашышат, бирок мен аны масштабда көрдүм: 3A/ns токту 10nHге которуу сизге 30V чоку берет. Берүү чыңалуусун кошсоңуз, сиз абсолюттук максималдуу рейтингден ашып кеттиңиз.

Андан кийин H-көпүрөдө-атууга болот. Төмөнкү тараптагы FETти өчүрүү жана жогорку- тарапка айлануу (жана тескерисинче) ортосунда сизде мөөнөт болушу КЕРЕК. Нөлдүк өчүрүү убактысы эки FET тең бир эле учурда -FET каналынын каршылыктары аркылуу жеткирүүдөн жерге түз кыска өткөрүүнү билдирет. 50А дан 0,01Ω эки эсеге чейин нерселер жарылганга чейин микросекунддар үчүн дагы 1000А болот. Иштен чыгуу режими укмуштуудай: кремнийдеги кичинекей кратер, FET биротоло кыска болуп, чынжырдагы калган нерселердин баарын алып салат.

Бирок өтө көп өлүү убактысы жана дененин диоду өлгөн мезгилде өткөрөт. Дене диоддору коркунучтуу{1}}жогорку алдыга түшүү (1-2V), жай калыбына келет. Сиз эффективдүүлүктү жоготуп, көбүрөөк жылуулукту жаратасыз. Сиздин FETтин которуштуруу өзгөчөлүктөрүнө жараша соода-сатык, адатта, 100-500ns өлүү убактысы.

Ар бир адамдын биринчи инстинкти: жогорку жыштык=кичине индукторлор/конденсаторлор=арзаныраак. Кээде чын. Бирок которуштуруудагы жоготуулар жыштыкка жараша көбөйөт-сиз FET өткөн сайын энергияны жоготуп жатасыз. ESwitching ≈ 0,5 × Vsupply × Iload × (trise + tfall) × fsw. Жыштыкты эки эсеге, которуу жоготууга эки эсеге.

Мотор дисктер үчүн 20кГц таралган. Укулгандан жогору механикалык убакыт константалары маани бербейт. Бирок ноутбуктун кубат булагында сиз 300кГц-1МГц көрөсүз. Неге? Кичинекей магниттер. 1 МГц индуктор физикалык жактан бирдей индуктивдүүлүккө ээ 20 кГц индукциянын 1/50 бөлүгүн түзөт. Бул көчмө аппараттар үчүн абдан чоң. Соода - сизге тезирээк FETs (төмөнкү Qg), жакшыраак жайгашуу, кылдат айдоочу дизайны керек.

Аудио (D классындагы ампер) 250кГц-1МГц жыштыкта иштейт. 200 кГцтен төмөн болсо, сиз оператордун жыштыгын бийик-кыңыр ызылдаган үн катары уга аласыз. 1MHz жогору жана сиз AM радио кийлигишүүсү менен күрөшө баштайсыз. Көпчүлүк конструкциялар 400-500кГц жыштыкта, ал эми ташыгычты алып салуу үчүн 50кГц төмөн өткөрүүчү чыпкага жайгашат.

Чыныгы мисал: бир жолу 500кГц бак конвертер кылды, тактаны кичирейтүү үчүн 1МГцге өтүүгө аракет кылды. Натыйжалуулук 4% (88% дан 84%) төмөндөдү. Бул 200 Вт камсыздоодо 8 Вт кошумча жылуулук. Чоңураак радиатор керек болуп, кичинекей индуктордон үнөмдөлгөн мейкиндикти жоготту. 500 кГц жыштыкта калды.

PWM

8-бит PWM (256 кадам) LEDди 100%дан 0%га чейин акырын өчүрүүгө аракет кылмайынча жакшы угулат. 10% иштөө циклинен төмөн жарыктыктын көрүнөө кадамдарын аласыз. Адамдын көзү логарифмдүү - жарыктын аз деңгээлиндеги өзгөрүүлөргө бир топ сезгич. Толук диапазондо жылмакай күңүрт кылуу үчүн эң аз дегенде 12 бит (4096 кадам) керек.

Бирок бул жерде кармануу: 20кГцдеги 12-бит сизге 20кГц × 4096=81.92МГц таймер сааты керек дегенди билдирет. Бардык микролор муну кыла албайт. Эгер сизге 12-битте бир нече көз карандысыз PWM каналдары керек болсо, сиз атайын таймердин перифериялык түзүлүштөрүн же FPGAны карап жатасыз.

Чечим: 8{6}}бит PWM колдонуңуз, бирок жыштыкты динамикалык түрдө тууралаңыз. Жогорку жарыктыкта 20кГц, ал эми төмөн жарыктыкта 100Гц чейин төмөндөйт. Сизге керектүү жерде жакшыраак кадамдарды берет. Бирок азыр сизде өзгөрүлмө жыштыктагы EMI бар. Эч нерсе бекер эмес.

Өнөр жай VFDs (өзгөрмө жыштык дисктер) 480VAC менен жүздөгөн амперди которушат. Башкаруу стратегиясы татаалыраак-космостук вектордук модуляция, талаага{3}}багытталган башкаруу, кандай гана болбосун-бирок анын астында дагы эле PWM үч фазалуу көпүрөдө алты IGBTди алмаштырып турат.

Бул масштабдагы айырмачылыктар:

Дарбаза айдоочулары 15V изоляцияланган жабдууга муктаж. Бул 680VDCге (түзөтүлгөн 480VAC) чейин ар кандай потенциалдарда сүзүүчү 6 изоляцияланган жабдуу. Ар бир айдоочуга өзүнүн күчү, өзүнүн дарбазасынын каршылыгы (0,5-2Ω типтүү), өзүнүн ашыкча ток коргоосу керек.

Өлмө убакыт 2-5мкс чейин көбөйөт, анткени IGBTs MOSFETтерге караганда жайыраак

dv/dt чыпкалары чыгууда, анткени мотор кабелинин сыйымдуулугу жана тез которулуучу четтери чоң жалпы{0}}режимдик токторду пайда кылат. Мен 5HP мотор кабелинде 20А жалпы режимдеги токту өлчөп көрдүм, мотордун токунан таптакыр бөлөк. Ошондуктан сизге корголгон кабелдер жана туура жерге туташтыруу керек.

Жылуулук: 50кВттагы 2% жоготуу да 1кВт жылуулукту түзөт. Агымды өчүргүчтөр жана температура блоктору менен суу муздатуу. Эгерде муздатуучу суюктуктун агымы босогодон төмөн түшүп кетсе, контроллер чыгарууну дароо өчүрөт. Көрүлгөн системалар күйүп кетти, анткени кимдир бирөө муздаткычтын деңгээлин текшерүүнү унутуп калган.

Компонент тандоо кызыктай болуп калат. Үзгүлтүксүз 100А үчүн бааланган IGBT 80Аны 50 градуста, 60Аны 70 градуста иштете алат. Бирок чоң моторду иштетүү бир нече секундага 6x номиналдык ток тартат. Ошентип, сиз өлчөмдү туруктуу- эмес, эң чокусу үчүн өлчөп, андан кийин температураны азайтасыз. "100A" колдонмосу үчүн 300A IGBT менен аяктаңыз. БОМдун баасы сатып алууларды абдан бактысыз кылат.

STM32 таймерлери: көпчүлүгү 16-бит PWMге ээ, кээ бир моделдер 32-битке өтүшөт, бирок сизге сейрек керек. Баарынан маанилүүсү, салыштыруу каналдарынын жана кошумча жыйынтыктардын саны. F4 сериясындагы TIM1 жана TIM8 төрт салыштыруу каналына ээ, ар биринде кошумча жыйынтыктар жана программалануучу өлүү убакытты киргизүү бар. Мотор башкаруу үчүн идеалдуу.

Көйгөй: бир таймердеги бардык PWM каналдары бир эсептегичке шайкештештирилет. Эгер көз карандысыз жыштыктар керек болсо, өзүнчө таймерлер керек. Ал эми өркүндөтүлгөн мүмкүнчүлүктөрү бар таймерлердин саны көп. STM32F4де сиз TIM1, TIM8 өнүккөн башкаруу үчүн аласыз. Негизги PWM үчүн TIM2-5. TIM9-14 16 биттик мөөнөттүү генерациясыз. Колдонмого бир нече обочолонгон PWM сигналдары керек болсо, сиз тез түгөнөсүз.

Алардын таймер каналдары түгөнүп калгандыктан, программалык камсыздоодо PWM-чакырып алган дизайнын көрдүк. коркунучтуу идея. Життер, процессордун ашыкча чыгымы, башкалары отту үзгүлтүккө учуратканда артыкчылыктуу инверсия. Көбүрөөк таймери бар микро үчүн кошумча $2 төлөңүз же тышкы PWM IC колдонуңуз (мисалы, PCA9685). Сиздин келечектеги өзүңүз сизге ыраазы болот.

ESP32де LED PWM перифериясын колдонгон 16 PWM каналы бар. Алардын баары бир 80 МГц APB саатынан алынган жана бөлүүчүлөрдү топторго бөлүшпөгөнүн эске албаганда, сонун угулат. Ар кандай жыштыктарды каалайсызбы? Алар бүтүн катыштар деп үмүттөнөбүз. Ошондой эле резолюция жыштык көбөйгөн сайын төмөндөйт, анткени ал бир эле базалык саатты колдонуп жатат. 20кГцде сиз 12-бит аласыз, 40кГцде сиз 11-битке чейин төмөндөөсүз, ж.б. Маалымат баракчасы муну ачык көрсөтпөйт.

Spread{0}}спектр PWM: белгиленген жыштыктын ордуна, сиз аны ±10% туш келди башкарасыз. EMIди кененирээк жыштык диапазонуна таратат, эң жогорку эмиссияларды азайтат. FCC/CE сынагынан көп чыпкалоочу жабдыксыз өтүүгө жардам берет. Көпчүлүк заманбап SMPS чиптеринде бул камтылган. Cypress PSoC атүгүл -ара тиш, үч бурчтук, псевдо-кокустук үлгүсүн башкарууга мүмкүндүк берет.

Interleaved PWM: бир нече конвертерлерди фазадан тышкары иштетиңиз. Эки конвертер 180 градус фазалык жылышта кириш конденсатор толкундуу токтун жарымын көрөт дегенди билдирет. Төрт конвертер 90 градустук фазалык жылыш-кыймылдын төрттөн бир бөлүгүн түзөт. Бирок азыр сизге каналдардын ортосунда так фазалык синхрондоштуруу жана жүктү тең салмактоо керек, ошондуктан алар токту бирдей бөлүштүрүшөт. Көбүнчө микрофонуңуз жетиштүү ресурстарга ээ болбосо, атайын контроллер IC керек.

GaN FETs 10 ns астында которула алат. 10МГц+ PWM жыштыктарын ачат-индукторлор кичинекей, дээрлик ПХБ издерине айланат. Бирок: тактанын жайгашуусу өтө маанилүү, дарбаза дискине олуттуу көңүл буруу керек, ар кандай индуктивдүүлүк массалык түрдө ашып кетишине алып келет. үйрөнчүктөр үчүн эмес. 2x VDD үчүн GaN дизайн шакекчесин көрдүм, анткени кимдир бирөө 5 см узундуктагы стандарттык дарбаза айдоочусун колдонгон. FET аман калган жок.

PWM

Көпчүлүк нерселер үчүн: 20кГц, аппараттык таймер PWM, 10-разряд. Моторду башкаруу жана LED күңүртөтүү үчүн көп. Дарбаза айдоочусу IC (2A чокусу учурдагы минимум), FET дренажында төмөн ESR керамикалык капкактарды, майлуу жер учагын кошуңуз. Которуу толкун формаларын биринчи прототиптин масштабы менен текшериңиз, бир жолу кайталоону күтүңүз.

Үзгүлтүксүз 10Адан жогору болгон бардык нерсе үчүн, жайгаштыруудан мурун жылуулук симуляциясы. Мен ANSYS колдоном, бирок ал тургай негизги FEA көпчүлүк көйгөйлөрдү кармайт. Жылуулук булагы катары жоготуулары бар жез катмарларын экспорттоңуз, чек ара шарттарын коюңуз, чөйрөнүн максималдуу чөйрөсүндө 125 градустун температурасына эч нерсе жетпегендигин текшериңиз. Көбүнчө 50 Вттан ашык кубаттуулукту алмаштырып жатсаңыз, радиаторлор же мажбурланган аба керектелет.

Жана температурада сынап көрүңүз. Бөлмөнүн температурасын тестирлөө көйгөйлөрдүн 60% ын кармайт. Ысык -коробка 70 градус чөйрөдө 8 саатка калган-термикалык качууну, дарбаза босогосун жылышты, конденсатордун ESR жогорулашын табат. Дизайн 25 градуста жакшы иштегенде мага жумасына бир жолу чыгым болду, бирок FET 65 градуска көтөрүлдү, анткени мен чектик чыңалуу температура коэффициентин эсепке алган эмесмин.

Бул PWM. Жөнөкөй түшүнүк, чексиз деталдар.

Акыркы нерсе: эгер сиз батарея{0}}кубаттуу PWM нерселерди жасап жатсаңыз, уячаларды арзандатпаңыз. Кээ бир аты-жөнү жок литий пакеттерин бир жолу сынап көрдүм,-токтун толкунун көтөрө албай калдым, жүктүн астында чыңалуу түшүп, тутумдун баары кызарып кетти. Ылайыктууга которулдуиондук литий батареясытатыктуу C{0}}баалуу модулдар, көйгөй жоюлду. Пакетке кошумча $15 мени жумасына үч колдоо чалууларынан куткарды.