Cos'è lu PWM?

Lu PWM è la Modulazzioni di larghizza Pulsa. Stai canciannu la vurtaggiu e nesci a na friquenza fissa, canciannu lu rapportu di- time pi fora {8} tempu pi cuntrullari la cunsignazzioni media di putenza. Eccu. Lu restu è sulu a chi fari cchî cunsiguenzi.

Pigghia na furnitura di 12V ca guida nu LED ca àvi bisognu di 3V. Normalmenti usassi na risistenza o nu rigulaturi liniari, abbrucia 9V comu caluri. Rifiuti stupidi. Cu PWM canciati lu 12V cumpletu supra e sfuggiri abbastanza viloci ca la massa termica dû LED la media lu nesci fora dû ciclu di travagghiu ca ti duna circa 3V equivalenti 3V. Lu LED vidi 12V → 0V → 12V → 0V forsi a 1 kHz, ma nun si po rinfriscari e scaldari accussì viluci, adunca lu lustru arresta custanti.

È mpurtanti. Troppu lentu (sutta 100Hz) e ti veni visìbbili. Quarchi cristianu vidi lu lampeggiamentu nzinu a 200Hz. Di sòlitu currìu a LED a 20 kHz sulu pi èssiri sicuru{6}also lu manteni fora dû ranghi audibbili si c'è n'accoppiamentu miccànicu. Canciari la vilucità nfruenza puru li pèrditi, ma arrivamu a chistu.

La matimàtica: si lu pirìudu è T e supra - tempu è t, ciclu di duviri D=t/T. Sìmplici. La putenza cunsignata è circa D × V_furnitura × I_carica, menu pèrditi. Chiḍḍi pèrditi sunnu unni li cosi sunnu ‘ntirissanti.

Prima raggiuni: efficienza. MOSFET nnâ saturazzioni cala forsi 0,1-0.2V a currenti raggiunevuli. MOSFET disegna li micruampi. Dunca tu stai dissipannu (0,1V × currenti) o praticamenti nenti. Paraguna chistu a nu rigulaturi liniari ca cala cuntinuamenti â currenti cumpleta. La diffirenza di vita dâ battirìa è 40-50x nta quarchi casu, non esaggiranti.

Secunnu: si ponnu usari alimentatura cchiù mircati. Bisogna guidari nu muturi a 48V a vilucità variàbbili? Cû cuntrollu analugu ci serbi na variàbbili cari 0-48V. Cu PWM usa na furnitura fissa di 48V (sacutu) e nu MOSFET (macari custusu). Fattu.

Terzu mutivu pi cui nuḍḍu parra di: acquisizzioni. Pruvannu a acquisiri na bona furnitura analoggica variàbbili nnô vulumi. Li tempi di chiummu su' minimi di 26 simani di pruduttura dicenti. MOSFET? Tuttu è 'n magazzinu a Digikey. Quannu la produzzioni ti urla, chistu è cchiù mpurtanti dû costu BOM.

PWM

EMI ti ruvina. La prima vota ca facìa na scheda PWM auta (120A pi nu muturi DC), ammazzau lu bus CAN ntô stissu veiculu. Nun currutti pacchetti{4}} cumplitamenti mortu. Si scoprìu ca lu me canceddu fu l'accuppiamentu ntô terrenu dû telaiu, inducennu 40V picchi nnâ coppia diffirinziali dû CAN. Li perlini firriti agghiunciuti, si spustaru terreni, avìanu ancora prubblemi. Â fini avìa a junciri nu filtru pi l'alimentazzioni dû muturi e siparari li chiani di terra cu na cunnissioni sìngula- punti. Ci voli tri giri.

Lu purtellu è cchiù diffìcili di quantu pari. Avìti bisognu di n’impidenza vascia dû driver ô canceddu MOSFET-ttra li questioni di nnuttazzioni a di/dt auti. Vidìa 10 nH di nnuttanza di traccia causari spichi di vurtaggiu 50V duranti lu cummutazzioni (V= L × di/dt). Chistu basta pi dari nu pugnu attraversu nu MOSFET valutatu di 60V. Li genti discurrunu ncapu la matimàtica ma l'avìa vistu ncapu la purtata: 3A/s ca cancia la currenti 'n 10nH ti duna 30V piccu. Aggiungi la tinzioni di furnitura e si trova supra lu valutazzioni massimu assolutu.

Appoi cc'è na scena -tts nta H{1}} sirvìnu Avìti a fari n’arraggiuni ntra spènniri lu {3} {3} 5} lastura e accendi l'àutu-sidi (e viciversa). Zeru mortali signìfica ca tutti dui li FET si cunnùcinu simultaniamenti a brevi diretta dâ furnitura a terra attraversu li risistenzi dû canali FET. 50A attraversu 0,01 Ω du' voti è ancora 1000A pî micrusicunni prima di esplodiri li cosi. La modalità di fallimentu è spittaculari: lu crateri nicu ntô silicuni, lu FET va pirmanentimenti curtu, pigghia tuttu lu restu dâ catina.

Ma troppu mortu e lu diodu dû corpu si cunnuci duranti lu pirìudu mortu. Li diodi dû corpu sunnu tirribbili - di goccia avanti cu n'àutu (1{5}} } }}, ricuperu lentu. Pirdi l'efficienza e ginira cchiù caluri. Lu cummerciu è di sòlitu 100-500n mortu a sicunna dî carattirìstichi di cummutazzioni dâ tò FET.

Ognunu lu primu istintu: friquenza cchiù auta= nnuttura/canciliatura cchiù nichi= cchiù mircata. Quarchi vota veru. Ma li pèrditi di cummutazzioni aumentunu câ friquenza- pirdi l'enirgìa ogni vota ca lu FET transizziuni. ≈ 0,5 × vsupply × I carica × (trisu + trìsi) × fsw. Duppia la friquenza, radduppiari la pèrdita di cummutazzioni.

Pi l'unità muturi, 20 kHz è cumuni. Supra li custanti di tempu miccànicu nun ci nteressanu. Ma nna n'alimentaturi di laptop vidi 300 kHz{{13}1}1MHz. Picchì? Magnètica cchiù nica. Nu nnutturi di 1MHz è fisicamenti 1/50 la grannizza di na 20 kHz cu la stissa nnuttanza. Chistu è granni pî dispusitivi purtàtili. Lu cummerciu è ca ti servinu FET cchiù veloci (Qg cchiù vasciu), nu layout megghiu, nu disignu cchiù attentu dû cunnutturi.

L'audio (amplificaturi D di Classi) s'attrova 250kHz{4}1MHz. Sutta 200 kHz e si ponnu sentiri la friquenza dû purtaturi comu nu lamentu àutu. Supra 1MHz e accuminciai a cummattiri cu l'intirfirenza radiu AM. La majurìa dî disigni s'accumincianu a 400-500 kHz, filtru a passaggiu vasciu a 50 kHz pi livari lu purtaturi.

Esempiu veru: fici nu cunvirtituri di 500 kHz na vota, circau di jiri a 1MHz pi arriddùciri la tavula. L'efficienza calau dû 4% (88% ô 84%). Chistu è 8W scalu di 200 W. Bisognava nu spidimentu di caluri cchiù granni, pirdìu tutti li risparmi spazziali dû nnutturi cchiù nicu. Ristatu a 500kHz.

PWM

8{7} }} abbitu PWM (256 passaggi) va beni nzinu a quannu nun cerchi di smuntari nu LED senza prubblemi di 100% ô 0%. Sutta lu 10% dû ciclu di duviri, uttèni passaggi visìbbili nnô lustru. L'occhiu umanu è lugaritmicu-assai cchiù sinsìbbili ê canciamenti a liveḍḍi vasci. Bisogna minimu a 12 bit (4096 passaggi) pi sfumari liscimenti nnâ gamma cumpleta.

Ma eccu la cattura: 12-bit a 20 kHz voli diri ca ti servi 20 kHz ×4096=81.92MHz ruloggiu di timer. Nun tutti li micrus ponnu fari chistu. E si ti servinu cchiù canali PWM nnipinnenti a 12 bit, stai circannu li piriferichi dû timer didicati o nu FPGA.

Attavitu: usari 8{6}} PWM ma aggiusta la friquenza dinàmicamenti. A l'auta lustru currìu 20 kHz, a na vascia lustru a 100Hz. Ti duna passi cchiù boni unni ti servinu. Ma ora hai EMI a friquenza variàbbili pi trattari. Nenti è lìbbiru.

Li VFD nnustriali (pati di friquenza variàbbili) cancianu cintinara di amplificatura a 480 VAC. La stratiggìa di cuntrollu è cchiù cumplessa mulazziuni vitturali, campu{3}} un cuntrollu urientatu, chiḍḍu ca{4} ma sutta è ancora PWM ca cummunta sei IGBT nna un ponti di tri{5}}}.

Diffirenzi 'n chista scala:

Li cunnutturi di canceddi hannu bisognu di furnituri isulati di 15V. Chisti su' 6 furnituri isulati ca galleggianu a putinziali diversi nzinu a 680VDC (rittificati 480VAC). Ogni cunnutturi avi bisognu di so putenza, la so risistenza dû canceḍḍu (0,5-2 tipicu), la sò prutizzioni suvracurrenti.

Lu tempu muritu aumenta a 2-5 μs picchì li IGBT su' cchiù lenti di MOSFET

dv/dt filtri ncapu l'uscita picchì la capacità di cavi muturi e li spiculi di cummutazzioni viloci causa currenti- currenti mude. Misurài 20A di cumuni{3}}muda di currenti ncapu a nu cavu a muturi 5HP, cumplitamenti siparatu dâ currenti dû muturi. Eccu picchì ti servinu li cavi schermati e la basi giusta.

Termali: puru lu 2% di pèrdita a 50 kW è 1 kW di caluri. Lu rinfriscamentu di l'acqua cu cummutatura di flussu e n'interlock di timpiratura. Si lu flussu di rifriddanti cala sutta lu limiti, lu cuntrullaturi disattiva subbitu li risurtati. Viduti li sistemi abbruciati picchì quarchi d'unu si scurdàu di cuntrullari lu liveḍḍu di rifriddanti.

La silizziuni dî cumpunenti addiventa strana. N'IGBT valutatu pi 100A cuntinui putissi manijari sulu 80A a 50 gradi ambienti, 60A a 70 gradi. Ma accuminciannu nu muturi granni tira a 6 voti la currenti tariffata pi tanti sicunni. Adunca diminsiuni pû piccu, no stabbili-, poi ritardari la timpiratura. Finisci cu n'IGBT 300A pi n'applicazzioni "100A". Lu costu BOM renni l'acquisizzioni assái scuntenti.

Li timer STM32: la majurìa havi PWM a 16 bit, certi mudelli vannu a 32 bit ma raramenti ci serbi. Ciò ca importa cchiù è lu nùmmaru di canali cunfruntati e output cumplimintari. TIM1 e TIM8 nnâ seri F4 ànnu quattru canali paragunati ciascunu cu output cumplimintari e nsirimentu murti prugrammàbbili. Pirfettu pû cuntrollu muturi.

Prubblema: tutti li canali PWM ncapu a nu timer sunnu sincrunizzati ô stissu cuntaturi. Si ti serviru friquenzi ‘nnipinnenti, ti servinu timer siparati. E ci sunnu sulu tanti timer cu funziunalità avanzati. Ntô STM32F4 utteni TIM1, TIM8 pi nu cuntrollu avanzatu. TIM2-5 pi PWM di basi. TIM9-14 sunnu 16 bit senza ginirazziuni morta. Tu s’arritira vilocimenti si l’applicazzioni àvi bisognu di cchiù signali PWM isulati.

Viduti prugetti unni si monzanu PWM 'n software picchì s'avìanu scuppiatu dî canali timer. Idìa tirribbili. Jtter, CPU supra, nvirsioni di priurità quannu autri ntirrumpi lu focu. Pagari li $2 suverchi pi nu micru cu cchiù timer o usari nu PWM esternu (comu PCA9685). Lu to futuru stissu ti ringrazia.

ESP32 àvi 16 canali PWM usannu lu pirifericu PWM LED. Sembra granni, tranni ca dirìvanu tutti di nu ruloggiu APB di 80 MHz e cunnividi li divisura 'n gruppi. Vuliti friquenzi diversi? Spergu ca sunnu prupurzioni nterni. Puru la risuluzzioni diminuisci mentri la friquenza aumenta picchì usa lu stissu ruloggiu di basi. A 20 kHz utteni 12 bit, a 40 kHz, ti nni vai a 11 bit, ecc. Lu fogghiu di dati nun lu renni chiaru.

Sparsioni - } spettru PWM: mmeci dâ friquenza fissa, si ditirmìa ±10% a casu. Spargi l'EMI nna n'intervallu di friquenza cchiù ampia, arriduci l'emissioni di punta. Ajuta a passari li test FCC/CE senza tantu filtraggiu. La majurìa dî chip SMPS muderni nta chistu ànnu. PSoC cipressu ti pirmetti puru di cuntrullari lu schema di ditinurinazzioni, triangulari, pseudolari, pseudoadusmanu.

PWM ntirlittu: fa cchiù cunvirtitura fora fasi. Dui cunvirtitura a turnu di fasi di 180 gradi signìficanu ca lu cuncintraturi di nput vidi la mità dâ currenti di l’ondulazzioni. Quattru cunvirtitura a spustamentu di fasi 90 gradi({4}}mera l'ondulazzioni. Ma ora ti servi la sincrunizazzioni pricisa di fasi ntra li canali e lu bilanciamentu dû càrricu accussì cunnivìdinu la currenti uguali. Di sòlitu àvi bisognu di nu cuntrullori didicatu a menu ca lu to micru havi risursi abbastanza.

Li FET GaN ponnu canciari sutta li 10 en. Apri li friquenzi PWM 10MHz+ PWMzziuna addiventanu nichi, quasi sulu tracci PCB. Ma: lu layout dû cunsigghiu è funnamintali, lu canceḍḍu havi bisognu di n'attinzioni seria, qualegghiè nnuttazzioni causa nu surrisu massicciu. Nun pî principianti. Vidi n'aneḍḍu di pruggettazzioni GaN a 2x VDD picchì quarchi d'unu usau nu cunnutturi standard di canceḍḍu cu 5cm di lunghizza di traccia. Lu FET non supravvivìu.

PWM

Pi la majurìa di cosi: 20 kHz, timer di l'hardware PWM, risuluzzioni 10{5}}. Assai pi lu cuntrollu dû muturi e lu sfuggiu a LED. Aggiungi nu driver di canceḍḍu IC (Diminuzzioni dâ currenti di piccu 2A), li tappi di ciramichi a vasciu ESR propriu nnô scarico FET, lu chianu di terra grassu. Cuntrullari li furmi d'unna di cummutazzioni cu na purtata nnô primu prutòtipu, aspittati di ripètiri na vota.

Pi qualegghiè cosa supra 10A cuntinua, simulazzioni termica prima di layout. Usai ANSYS ma macari FEA di basi pigghia la maggior parti dî prubblemi. Esportari li strati di ramu cu pèrditi comu funti di caluri, cunnizzioni di cunfini stabbiliti, cuntrolla si qualchi cosa colpisci la timpiratura di junziuni di 125 gradi a l'ambienti massimu. Di sòlitu ti servinu li cauda o l'aria furzata si cancia cchiù assai di 50W.

E pruvala a timpiratura. Li test di tempo dâ stanza pigghianu lu 60% dî prubblemi. Hot{3}} a 70 gradi ambienti pi 8 uri attrova lu riposu-}}}}} {\\displayst'} {\\displaystyle{6}}}}}}}}}}}}}}}} si cci sunnu la fuga a canceddu, lu spustamentu dû canceddu, l'aumint dî cuncintratura ESR Custami na simana na vota quannu nu disignu funziunava beni a 25 gradi, ma lu FET s’arriunìu a 65 gradi picchì nun rispunnìa ô cufficenti di timpiratura di vurtaggiu di limiti.

Chistu è PWM. Cuncettu sèmplici, dittagghi nfiniti.

Ultima cosa: si stai facennu la battirìa PWM alimentata, nun ti scantari ncapu li cèlluli. Circau na para di pacchi di litiu di nomu na vota{3}} nun putìa manijari la currenti ondulata, la tinzioni sbagghiata sutta càrrica, tuttu lu sistema s'abbruciau. Canciata propriabattirìa ionica di litiumoduli cu C{0}}, lu prubblema scumparìu. Li 15$ 'n supra mi sarbàunu di tri chiamati di supportu â simana.