Cos’è PWM?

PWM l’è per dir Modulaziun de largheza di impuls. L’è drée a mett sü e desmett la tensiun a una frequenza fisa, mudificand el raport intra temp de on- e temp de spent-per cuntrular la fornitüra media de alimentaziun. L’è tutt. El rest l’è sultant afruntà i conseguenz.

Prendi un alimentaziun de 12V che guida un LED che g’ha bisogn de 3V. Normalment duperas una resistenza o un regulatur linear, brüsa 9V cuma calor. Rumenta stupida. Cun PWM se mett sü e se desmett i 12V cumplet asée rapidament perché la massa termich del LED la fà una media del ciclo de funziunament. 25% che te dà circa l’equivalent de 3V. El LED vede 12V → 0V → 12V → 0V a forsi 1kHz, ma el pœu minga rafredars e scaldars inscì rapidament, inscì la luminüsità resta custant.

La frequenza la cunta. Trop lent (sotta 100Hz) e se ottèn un tremolament visibil. Quaivun vede un tremolament fin a 200Hz. De solet fago funziunar el dimming LED a 20kHz sultant per vèss sicür-el mantegn anca fœura del interval sonoro se g’he un accoppi mecanich. La velocità de commutaziun influiss anca süi pèrt, ma rivarem a chel punt.

La matemategh: se el voster periud l’è T e el temp on-l’è t, el ciclo de travaj D=t/T. Semplix. L’alimentaziun furnida l’è circa D × V_alimentaziun × I_carich, menu pèrt. Chesti pèrt sun indué i ròbb diventan interessant.

Prim mutif: eficienza. MOSFET in de la saturaziun cala forsi de 0,1-0,2 V a curent ragiunevul. El MOSFET spent tira microamplificatur. Donca o te dissipi (0,1 V × curent) o praticament nient. Paragunal cunt un regulatur linear che sbassa 9V a curent cumpleta en mod continuo. La diferenza de la durada de la bateria l’è de 40-50x en quai cas, esagerand minga.

Segond: pœu duperà alimentatur püsee economich. Bisogna guidar un mutur 48V a velocità variabil? Cunt el cuntrol analogh g’he vœur un alimentaziun variabil custus de 0-48V. Cun PWM duperas un alimentaziun fissa de 48V (economich) e un MOSFET (anca economich). Fait.

Terza rason de cui nissun parla: l’acquisiziun. Pruvà a acquistar una bona alimentaziun analogh variabil en volum. I temp de spediziun sun al minim de 26 seteman di produtur decent. MOSFET? Tut l'è in magazzin a Digikey. Quand la produziun l’è drée a urlà, chestu importa püsee del cust del BOM.

PWM

EMI ti farà sciupà. La prima volta che g’ho fatt una scheda PWM de volta -current (120A per un mutur CC), g’ha mazà el bus CAN sül stess veicul. Pachet minga currutt-cumpletament mort. El s’è descuvert che el me son del azionament del gate l’era drée a acoppià travers a terra del telaio, indusend picc de 40V sü la copia diferenzial CAN. Giuntà di perlin de ferrita, spustà i terren in gir, g’haveva ancamò di prublem. A la fin duveva giuntà un filter pi sü l’alimentaziun del mutur e separar i plan de terra cunt una cunnesiun a punt singul-. G’ha ciapà tri giri de tavula.

Gate drive l’è püsee dificil de quant par. G’he vœur una basa impedenza del driver al gate MOSFET -traccia l’indutanza a volt di/dt. Ho vist 10nH de traccia indutanza causar picch de tensiun de 50V durant la commutaziun (V=L × di/dt). Chestu l’è assée per traversà un MOSFET nominal de 60V. La gent discut sü la matemategh ma l’ho vist sül telescopio: 3A/ns che cambia la curent en 10nH te dà un picc de 30V. Aggiungi la tension di alimentazione e sei sopra la nominal massima assoluta.

Donca g’he spara-travers in di pont H-. DEVE avegh un temp mort intra spegner el FET del lat bas-e l’accensiun del lat volt- (e viceversa). Temp mort zeru significa che tüt i dü i FET se cundusen cuntempuraneament-curt curt dirett de l’alimentaziun a terra travers i resistenz del canal FET. 50A fin a 0,01Ω dü volt l’è ancamò 1000A per i microsecund prima che i ròbb esploden. La modalità de guast l’è spetacular: piscinin crater in del silicio, FET va permanentement curt, tira fœura tüt el rest in de la cadena.

Ma tropp temp mort e el diodo del corp conduss durant el periud mort. I diod del corp sun terribil-volta gota ennanz (1-2V), lent recüper. Perdet l’eficienza e generet püsee de calor. El compromess l’è de solet 100-500 ns a segond di carateristich de commutaziun del FET.

El prim istint de tüt: a frequenza püsee volta=indutur/condensatur püsee piscinin=püsee economich. Quai volt l’è vera. Ma i pèrt de commutaziun aumentan cun la frequenza-perdet energia tüt i volt che i transiziun FET. EScommutaziun ≈ 0,5 × Valimentaziun × Icarica × (trisa + caduta) × fsw. Duplicà la frequenza, duplicà la perdita de commutaziun.

Per i azionament a mutur, 20kHz l’è comun. Sora i custant de temp mecanich udibil g’he interesa no. Ma en un alimentaziun del portatil se veden 300kHz-1MHz. Perqè? Magnetich püsee piscinin. Un indutur de 1MHz l’è fisicament 1/50 di dimensiun de un indutur de 20kHz cun l’istess indutanza. Chest l’è grand per i dispusitif purtatil. El compromes l’è che g’he bisugn de FET püsee veloci (Qg püsee bas), una disposiziun püsee bon, una prugetaziun del driver püsee atenta.

L’audio (amplificatur de class D) funziuna a 250 kHz 1 MHz. Sotta de 200kHz e se pœu sentir la frequenza portant cuma un lament volt-. Sora 1MHz e cumenciat a cumbatt cun l’interferenza radio AM. La magiur part di pruget se stabiliss a 400-500kHz, el filter passa-bas a forsi a 50kHz per levà via el purtadur.

Esempi real: g’ha fatt un cunvertidur buck de 500kHz una volta, g’ha pruvà a ndà a 1MHz per ridür la scheda. L’eficienza l’è calada del 4% (dal 88% al 84%). Chestu l’è 8W de calor extra en un alimentaziun de 200W. Bisognava un dissipatur de calor püsee grand, g’haveva perduu tüt el risparmi de spazi dal indutur püsee piscinin. Ristato a 500kHz.

PWM

PWM a 8-bit (256 pas) sona ben fin quand se cerca de sfumar un LED senza problem del 100% al 0%. Sotta del 10% del ciclo de funziunament ottenen passagg visibil in de la luminüsità. L’œgg uman l’è logaritmeg - tant plussee sensibel ai cambiaments a bas nivei de lux. G’he vœur un minim de 12 bit (4096 pas) per una reduziun liscia en tüt el interval.

Ma ecco la cattura: 12 bit a 20kHz significa che g’he bisugn de un urloggi de 20kHz × 4096=81.92MHz. Minga tüt i micro pœden fär chel. E se g’he bisugn de püsee canai PWM indipendent a 12 bit, l’è drée a vardar a di periferich timer dedicà o a un FPGA.

Soluziun: dupera PWM a 8-bit ma regula dinamicament la frequenza. A volta luminüsità correr 20kHz, a bas luminüsità cala a 100Hz. Ti dà di passagg püsee fin indué g’he n’è bisogn. Ma incœu g’he l’EMI a frequenza variabil da afruntà. Negott l’è gratis.

I VFD industrial (unità a frequenza variabil) cummutan centinaia de ampere a 480VAC. La strategia de cuntrol l’è püsee dificil-modulaziun vetorial spazial, cuntrol urientà al camp-, qual-sa-vöör -ma sotta l’è ancamò PWM che cummuta ses IGBT en un punt trifas.

Diferenzi sü chesta scäla:

I driver de gate g’han bisogn de alimentaziun isulà de 15V. Chesti sun 6 alimentaziun isulà che gallegian a putenziai diferent fin a 680VDC (480VAC rettificà). Ogni condutur g’ha bisogn de la propria putenza, de la propria resistenza de gate (tipich de 0,5-2Ω), de la propria pruteziun cuntra la soracurrent.

El temp de mort aumenta a 2-5μs perché i IGBT sun püsee lent di MOSFET

Filter dv/dt sü l’uscita perché la capacità del cavo del mutur e i bord de commutaziun rapida causan grandi curent en modalità comun-. Ho mesurà 20A de curent en modalità comun-sü un cavo del mutur de 5HP, cumpletament separà de la curent del mutur. Per chest mutif g’he vœur di cavi schermà e de una giüsta messa a terra.

Termich: anca la perdita del 2% a 50kW l’è 1kW de calor. Raffreddament a l’aqua cun interruttur de fluss e blocch de temperadüra. Se el fluss del liquid de raffreddament cala sotta el limit, el reguladur disativa subit i uscit. I sistèm vist se brüsan perché quaivun s’è desmentegà de cuntrular el livel del liquid de raffreddament.

La selezion dei components la diventa strana. Un IGBT valutad per 100A cuntinuo podaria gestir sultant 80A a 50 grad ambient, 60A a 70 grad. Ma l’avviament de un grand mutur tira una current nominal 6x per tanti segund. Donca dimension per el stat de picch, minga stazionario-, e dopu derate per la temperadüra. Finì cunt un IGBT 300A per un'aplicaziun "100A". El cust del BOM rend minga content l’acquisiziun.

Timer STM32: la magiur part g’ha PWM a 16 bit, quai mudel va a 32 bit ma rarament g’he n’è bisogn. L’impurtant l’è el nümer di canai de cunfrunt e di output cumplementar. TIM1 e TIM8 sü la seri F4 g’han quater canai de cunfrunt ognun cun output cumplementar e un inseriment de temp mort prugramabil. Perfet per el cuntrol del mutur.

Problema: tüt i canai PWM sü un timer sun sincronizà cunt el stess cuntadur. Se g’he bisugn de frequenz indipendent, g’he bisugn de cronometr separà. E g’he sun sultant tanti cronometr cun funziunalità avanzà. Sül STM32F4 se ottenen TIM1, TIM8 per el cuntrol avanzà. TIM2-5 per PWM de bas. TIM9-14 sun a 16 bit senza generaziun de temp mort. Se finis rapidament se l’aplicaziun g’ha bisogn de plü segnai PWM isulà.

Vist pruget indué g’han sbattü PWM in del software perché g’han minga canai de cronometro. Idea terribil. Jitter, spes de CPU, inversiun de priorità quand olter interrump el fœuch. Basta pagar i $2 en plüu per un micro cun püsee cronometr o duperà un CI PWM estern (cuma PCA9685). El tò futur sé te ringraziarà.

ESP32 g’ha 16 canai PWM duperand el periferich PWM LED. Sembra grand, però sun tüt derivà de un urloggi APB de 80MHz e cundividen divisur en grupp. Vœut frequenz diferent? Sperem che sun di raport inter. Anca la resoluziun disminuiss cun l’aument de la frequenza perché dupera l’istess urloggi de bas. A 20kHz se riva a 12 bit, a 40kHz se riva a 11 bit, ecc. El foji de dati el rend minga ovvio.

PWM de spettro diffus: al post de la frequenza fisa, el se diferenzia a ±10% casualment. Diffond l’EMI sü un interval de frequenza püsee grand, reduss i emisiun de picch. Vuuta a superar i test FCC/CE senza tant hardware de filtragg. La magiur part di chip SMPS muderni g’han chestu integrà. Cypress PSoC permett anca de cuntrular el mutif de diferenza-dent de sega, triangular, pseudo-casual.

PWM intercalà: fär funziunar plü cunvertidur fœura fas. Dü cunvertidur a spustament de fas de 180 grad significan che el condensatur de ingress vede la mità de la curent de ondulaziun. Quater cunvertidur a 90 grad de spustament de fas-quart l’ondulaziun. Ma incœu g’he vœur una sincronizaziun de fas precisa intra i canai e el bilanciament del carich inscì che cundividen la curent a la stess manera. De solet g’ha bisogn de un CI de cuntrol dedicà, a men che el micro g’ha di risurs sufisent.

I FET GaN pœden cummutar en menu de 10ns. Derva i frequenz PWM de 10MHz+ -i indutur diventan piscinin, quasi sultant tracc de PCB. Ma: la disposiziun de la scheda l’è fundamental, l’azionament gate g’ha bisogn de un’atenziun seria, qual-sa-vöör indutanza causa un grand surpass. Minga per i principiant. Vist un anel de prugetaziun GaN a 2x VDD perché quaivun duperava un driver de gate standard cun 5 cm de luungheza de traccia. El FET l’è minga soravissuu.

PWM

Per la magiur part di ròbb: 20kHz, PWM del timer hardware, risoluziun a 10{5}}bit. Assé per el cuntrol del mutur e la sfumadura del LED. Aggiungi un CI driver de gate (minimo de current de picco de 2A), tappi ceràmich a bass ESR propri al drenagg FET, plan de terra grass. Cuntrular i furm d’unda de commutaziun cunt un purtada sül prim prototip, speta de iterar una volta.

Per qual-sa-vöör ròbb superiur a 10A simulaziun cuntinua e termich prima del layout. Duperu ANSYS ma anca la FEA de bas ciapa la magiur part di prublem. Esportar i strati de ram cun pèrt cuma funt de calor, fissà di cundiziun de cunfin, cuntrular se quaicoss riva a la temperadüra de giunziun de 125 grad al massim ambient. De solet g’he vœur di dissipatur o aria forzada se l’è drée a cummutar püsee de 50W.

E provarlo a temperadura. I test a la temperadüra ambient ciapa forsi el 60% di prublem. Hot-box a 70 grad ambient per 8 our truva el rest -fuga termich, spustament del limit del cancel, aument del ESR del condensatur. M’è cust una settimana una volta quand un pruget funziunava ben a 25 grad ma el FET s’è blocà a 65 grad perché g’ho minga cunsiderà el cueficient de temperadüra de limit de tensiun.

Chest l’è PWM. Concett facil, detai infinit.

L’ültima ròba: se l’è drée a fà di ròbb PWM alimentà cun la bateria-, fa minga di prezzi economich süi celùl. Pruvà di pachett de litio no-nom una volta-pudevan minga gestir la curent d’ondulaziun, la tensiun l’era s’ciopà sotta carich, tüt el sistèm s’è brunì. Passà al giüstbateria ionica al litiomodul cunt una bona valutaziun C-, el prublema l’è scumparì. I 15 dolar in püsee per pachett m’han risparmià de tri telefonad de support a la setemana.