पीडब्लूएम क्या है?

PWM का मतलब पल्स चौड़ाई मॉड्यूलेशन है। आप एक निश्चित आवृत्ति पर वोल्टेज को चालू और बंद कर रहे हैं, औसत बिजली वितरण को नियंत्रित करने के लिए चालू समय से बंद समय के अनुपात को बदल रहे हैं। इतना ही। बाकी तो बस परिणामों से निपटना है।

एक एलईडी चलाने वाली 12V आपूर्ति लें जिसके लिए 3V की आवश्यकता होती है। आम तौर पर आप एक अवरोधक या रैखिक नियामक का उपयोग करेंगे, गर्मी के रूप में 9V जलाएंगे। मूर्खतापूर्ण बर्बादी. पीडब्लूएम के साथ आप पूरे 12V को इतनी तेजी से चालू और बंद करते हैं कि एलईडी का थर्मल द्रव्यमान इसे औसत कर देता है . 25% कर्तव्य चक्र आपको लगभग 3V के बराबर देता है। एलईडी शायद 1kHz पर 12V → 0V → 12V → 0V देखता है, लेकिन यह इतनी तेजी से ठंडा और गर्म नहीं हो सकता है, इसलिए चमक स्थिर रहती है।

आवृत्ति मायने रखती है. बहुत धीमा (100 हर्ट्ज से कम) और आपको झिलमिलाहट दिखाई देती है। कुछ लोगों को 200Hz तक की झिलमिलाहट दिखाई देती है। मैं आमतौर पर सुरक्षित रहने के लिए 20 किलोहर्ट्ज़ पर एलईडी डिमिंग चलाता हूं, साथ ही यदि कोई यांत्रिक युग्मन है तो इसे श्रव्य सीमा से बाहर रखता हूं। स्विचिंग गति नुकसान को भी प्रभावित करती है, लेकिन हम उस तक पहुंचेंगे।

गणित: यदि आपकी अवधि T है और समय t है, तो कर्तव्य चक्र D=t/T है। सरल। वितरित की गई बिजली मोटे तौर पर D × V_आपूर्ति × I_लोड है, हानि घटाकर। वे नुकसान ही हैं जहां चीजें दिलचस्प हो जाती हैं।

पहला कारण: दक्षता. संतृप्ति में MOSFET उचित धाराओं पर 0.1-0.2V तक गिर सकता है। MOSFET माइक्रोएम्प्स को बंद कर देता है। तो आप या तो (0.1V × करंट) नष्ट कर रहे हैं या मूल रूप से कुछ भी नहीं। इसकी तुलना एक रैखिक नियामक से करें जो लगातार पूर्ण धारा पर 9V छोड़ता है। कुछ मामलों में बैटरी जीवन का अंतर 40-50x है, अतिशयोक्ति नहीं।

दूसरा: आप सस्ती बिजली आपूर्ति का उपयोग कर सकते हैं। परिवर्तनीय गति पर 48V मोटर चलाने की आवश्यकता है? एनालॉग नियंत्रण के साथ आपको एक महंगी वैरिएबल 0-48V आपूर्ति की आवश्यकता होती है। PWM के साथ आप एक निश्चित 48V आपूर्ति (सस्ते) और एक MOSFET (सस्ते भी) का उपयोग करते हैं। हो गया।

तीसरा कारण जिसके बारे में कोई बात नहीं करता: खरीद। वॉल्यूम में एक अच्छी वैरिएबल एनालॉग आपूर्ति प्राप्त करने का प्रयास करें। अच्छे निर्माताओं से लीड समय न्यूनतम 26 सप्ताह है। MOSFETs? Digikey पर सब कुछ स्टॉक में है। जब उत्पादन आप पर चिल्ला रहा हो, तो यह बीओएम लागत से अधिक मायने रखता है।

PWM

ईएमआई आपको परेशान कर देगी. पहली बार जब मैंने एक उच्च -वर्तमान पीडब्लूएम बोर्ड (डीसी मोटर के लिए 120ए) लगाया, तो इसने उसी वाहन पर कैन बस को खत्म कर दिया। दूषित पैकेट नहीं -पूरी तरह से मृत। पता चला कि मेरी गेट ड्राइव रिंगिंग चेसिस ग्राउंड के माध्यम से युग्मित हो रही थी, जिससे CAN अंतर जोड़ी पर 40V स्पाइक्स प्रेरित हो रहे थे। फेराइट मोती जोड़े, मैदान को चारों ओर घुमाया, फिर भी समस्याएं थीं। आख़िरकार मोटर सप्लाई पर एक पीआई फ़िल्टर जोड़ना पड़ा और ग्राउंड प्लेन को एक सिंगल प्वाइंट कनेक्शन से अलग करना पड़ा। तीन बोर्ड चक्कर लगाए।

गेट ड्राइव जितना दिखता है उससे कहीं अधिक कठिन है। आपको अपने ड्राइवर से MOSFET गेट के लिए कम प्रतिबाधा की आवश्यकता है {{1}उच्च di/dt पर इंडक्शन मामलों का पता लगाएं। मैंने देखा है कि स्विचिंग के दौरान 10nH ट्रेस इंडक्शन के कारण 50V वोल्टेज स्पाइक्स होते हैं (V=L × di/dt)। यह 60V रेटेड MOSFET को भेदने के लिए पर्याप्त है। लोग गणित के बारे में बहस करते हैं लेकिन मैंने इसे दायरे में देखा है: 3A/ns को करंट को 10nH में बदलने से आपको 30V स्पाइक मिलता है। आपूर्ति वोल्टेज जोड़ें और आप पूर्ण अधिकतम रेटिंग से ऊपर हैं।

इसके बाद एच{{1}पुलों के माध्यम से शूटिंग होती है। आपके पास निचले - तरफ के FET को बंद करने और ऊंचे {{4} तरफ के) को चालू करने के बीच का समय होना चाहिए (और इसके विपरीत)। शून्य डेडटाइम का मतलब है कि दोनों FET एक साथ संचालित होते हैं {{6}FET चैनल प्रतिरोधों के माध्यम से आपूर्ति से जमीन तक सीधे शॉर्ट {{7}ए से 0.01Ω दो बार, चीजों के विस्फोट से पहले माइक्रोसेकंड के लिए अभी भी 1000ए है। विफलता मोड शानदार है: सिलिकॉन में छोटा गड्ढा, एफईटी स्थायी रूप से छोटा हो जाता है, श्रृंखला में बाकी सब कुछ बाहर निकाल देता है।

लेकिन मृत अवधि के दौरान बहुत अधिक डेडटाइम और बॉडी डायोड संचालित होता है। बॉडी डायोड भयानक हैं {{1}उच्च फ़ॉर्वर्ड ड्रॉप (1-2V), धीमी गति से पुनर्प्राप्ति। आप कार्यक्षमता खो देते हैं और अधिक गर्मी उत्पन्न करते हैं। आपके FET की स्विचिंग विशेषताओं के आधार पर ट्रेड-ऑफ आमतौर पर 100-500ns डेडटाइम होता है।

हर किसी की पहली प्रवृत्ति: उच्च आवृत्ति=छोटे इंडक्टर्स/कैपेसिटर=सस्ते। कभी-कभी सच. लेकिन आवृत्ति के साथ स्विचिंग हानियाँ बढ़ती जाती हैं। हर बार FET संक्रमण के दौरान आप ऊर्जा खो रहे होते हैं। ईस्विचिंग ≈ 0.5 × वीआपूर्ति × आईलोड × (ट्राइस + टीफॉल) × एफएसडब्ल्यू। आवृत्ति दोगुनी, स्विचिंग हानि दोगुनी।

मोटर ड्राइव के लिए, 20kHz सामान्य है। श्रव्य से ऊपर, यांत्रिक समय स्थिरांक की परवाह नहीं है। लेकिन एक लैपटॉप बिजली आपूर्ति में आप 300kHz-1MHz देखते हैं। क्यों? छोटा चुम्बकत्व. एक 1 मेगाहर्ट्ज प्रेरक भौतिक रूप से समान प्रेरकत्व वाले 20kHz के आकार का 1/50वां होता है। पोर्टेबल उपकरणों के लिए यह बहुत बड़ा है। ट्रेड-ऑफ़ यह है कि आपको तेज़ FET (निचला Qg), बेहतर लेआउट, अधिक सावधान ड्राइवर डिज़ाइन की आवश्यकता है।

ऑडियो (क्लास डी एम्प्स) 250kHz-1MHz चलता है। 200 किलोहर्ट्ज़ से नीचे और आप वाहक आवृत्ति को उच्च {{9}पिच वाली कराहना के रूप में सुन सकते हैं। 1MHz से ऊपर और आप AM रेडियो हस्तक्षेप से लड़ना शुरू कर देते हैं। अधिकांश डिज़ाइन 400-500kHz पर व्यवस्थित होते हैं, वाहक को हटाने के लिए कम-पास फ़िल्टर शायद 50kHz पर होता है।

वास्तविक उदाहरण: एक बार 500kHz हिरन कनवर्टर किया, बोर्ड को सिकोड़ने के लिए 1MHz पर जाने का प्रयास किया। दक्षता 4% गिर गई (88% से 84%)। यह 200W आपूर्ति में 8W अतिरिक्त ताप है। एक बड़े हीटसिंक की आवश्यकता थी, छोटे प्रारंभ करनेवाला से सारी जगह की बचत खत्म हो गई। 500kHz पर रहा.

PWM

जब तक आप एलईडी को 100% से 0% तक सुचारू रूप से मंद करने का प्रयास नहीं करते तब तक 8{7}}बिट पीडब्लूएम (256 कदम) ठीक लगता है। 10% कर्तव्य चक्र के नीचे आपको चमक में दृश्यमान चरण मिलते हैं। मानव आँख लघुगणकीय है - कम रोशनी के स्तर पर परिवर्तनों के प्रति अधिक संवेदनशील है। संपूर्ण रेंज में सुचारू डिमिंग के लिए न्यूनतम 12-बिट (4096 चरण) की आवश्यकता है।

लेकिन यहाँ एक समस्या है: 20kHz पर 12-बिट का मतलब है कि आपको 20kHz × 4096=81.92मेगाहर्ट्ज टाइमर घड़ी की आवश्यकता है। सभी माइक्रो ऐसा नहीं कर सकते. और यदि आपको 12-बिट पर एकाधिक स्वतंत्र पीडब्लूएम चैनलों की आवश्यकता है, तो आप समर्पित टाइमर बाह्य उपकरणों या एफपीजीए पर विचार कर रहे हैं।

समाधान: 8-बिट पीडब्लूएम का उपयोग करें लेकिन आवृत्ति को गतिशील रूप से समायोजित करें। उच्च चमक पर 20kHz चलाएं, कम चमक पर 100Hz तक कम करें। जहां आपको उनकी आवश्यकता हो वहां आपको बेहतर कदम देता है। लेकिन अब आपके पास निपटने के लिए परिवर्तनीय-आवृत्ति ईएमआई है। कुछ भी मुफ़्त नहीं है.

औद्योगिक वीएफडी (परिवर्तनीय आवृत्ति ड्राइव) 480VAC पर सैकड़ों एम्पियर स्विच करते हैं। नियंत्रण रणनीति अधिक जटिल है {{2}स्पेस वेक्टर मॉड्यूलेशन, फ़ील्ड{3}ओरिएंटेड नियंत्रण, जो भी हो-लेकिन इसके नीचे अभी भी पीडब्लूएम तीन चरण वाले ब्रिज में छह आईजीबीटी स्विच कर रहा है।

इस पैमाने पर अंतर:

गेट ड्राइवरों को 15V पृथक आपूर्ति की आवश्यकता होती है। यह 6 अलग-अलग आपूर्तियाँ हैं जो 680VDC (सुधारित 480VAC) तक विभिन्न क्षमताओं पर तैर रही हैं। प्रत्येक ड्राइवर को अपनी शक्ति, अपना स्वयं का गेट अवरोधक (0.5-2Ω विशिष्ट), अपनी स्वयं की ओवरकरंट सुरक्षा की आवश्यकता होती है।

डेडटाइम 2-5µs तक बढ़ जाता है क्योंकि IGBTs MOSFETs की तुलना में धीमे होते हैं

आउटपुट पर DV/dt फ़िल्टर क्योंकि मोटर केबल कैपेसिटेंस और तेज़ स्विचिंग किनारों के कारण भारी सामान्य {{0}मोड धाराएँ उत्पन्न होती हैं। मैंने 5HP मोटर केबल पर 20A सामान्य मोड करंट मापा है, जो मोटर करंट से पूरी तरह अलग है। इसलिए आपको परिरक्षित केबलों और उचित ग्राउंडिंग की आवश्यकता है।

थर्मल: 50 किलोवाट पर 2% हानि भी 1 किलोवाट गर्मी है। प्रवाह स्विच और तापमान इंटरलॉक के साथ पानी को ठंडा करना। यदि शीतलक प्रवाह सीमा से नीचे चला जाता है, तो नियंत्रक तुरंत आउटपुट अक्षम कर देता है। देखा गया है कि सिस्टम जल गए क्योंकि कोई शीतलक स्तर की जांच करना भूल गया।

घटक चयन अजीब हो जाता है. 100ए निरंतर के लिए रेटेड एक आईजीबीटी 50 डिग्री परिवेश पर केवल 80ए, 70 डिग्री पर 60ए को संभाल सकता है। लेकिन एक बड़ी मोटर शुरू करने से कई सेकंड के लिए 6x रेटेड करंट खींचा जाता है। तो आप चरम के लिए आकार लें, स्थिर स्थिति के लिए नहीं, फिर तापमान के लिए घटाएं। "100ए" एप्लिकेशन के लिए 300ए आईजीबीटी के साथ समाप्त करें। बीओएम लागत खरीद को बहुत निराशाजनक बनाती है।

STM32 टाइमर: अधिकांश में 16-बिट PWM होता है, कुछ मॉडल 32-बिट पर जाते हैं लेकिन आपको शायद ही कभी इसकी आवश्यकता होती है। तुलना चैनलों और पूरक आउटपुट की संख्या अधिक मायने रखती है। F4 श्रृंखला पर TIM1 और TIM8 में पूरक आउटपुट और प्रोग्रामयोग्य डेडटाइम प्रविष्टि के साथ चार तुलना चैनल हैं। मोटर नियंत्रण के लिए बिल्कुल सही.

समस्या: एक टाइमर पर सभी पीडब्लूएम चैनल एक ही काउंटर पर सिंक्रनाइज़ होते हैं। यदि आपको स्वतंत्र आवृत्तियों की आवश्यकता है, तो आपको अलग टाइमर की आवश्यकता है। और उन्नत सुविधाओं वाले केवल बहुत सारे टाइमर हैं। STM32F4 पर आपको उन्नत नियंत्रण के लिए TIM1, TIM8 मिलता है। बुनियादी PWM के लिए TIM2-5। TIM9-14 बिना डेडटाइम जेनरेशन के 16-बिट हैं। यदि एप्लिकेशन को एकाधिक पृथक पीडब्लूएम सिग्नल की आवश्यकता होती है तो आप तेजी से समाप्त हो जाते हैं।

ऐसे डिज़ाइन देखे गए जहां उन्होंने सॉफ़्टवेयर में PWM को बिट किया क्योंकि उनके टाइमर चैनल ख़त्म हो गए थे। भयानक विचार. जिटर, सीपीयू ओवरहेड, प्राथमिकता व्युत्क्रमण जब अन्य आग में बाधा डालते हैं। अधिक टाइमर वाले माइक्रो के लिए बस अतिरिक्त $2 का भुगतान करें या बाहरी PWM IC (जैसे PCA9685) का उपयोग करें। आपका भविष्य स्वयं आपको धन्यवाद देगा।

ESP32 में LED PWM परिधीय का उपयोग करते हुए 16 PWM चैनल हैं। बहुत अच्छा लगता है, सिवाय इसके कि वे सभी एक 80 मेगाहर्ट्ज एपीबी घड़ी से प्राप्त हुए हैं और समूहों में विभाजक साझा करते हैं। विभिन्न आवृत्तियाँ चाहते हैं? आशा है कि वे पूर्णांक अनुपात हैं। साथ ही आवृत्ति बढ़ने पर रिज़ॉल्यूशन कम हो जाता है क्योंकि यह समान आधार घड़ी का उपयोग कर रहा है। 20kHz पर आपको 12-बिट मिलता है, 40kHz पर आप 11-बिट पर आ जाते हैं, आदि। डेटाशीट इसे स्पष्ट नहीं करती है।

स्प्रेड-स्पेक्ट्रम पीडब्लूएम: निश्चित आवृत्ति के बजाय, आप इसे ±10% यादृच्छिक रूप से विभाजित करते हैं। ईएमआई को व्यापक आवृत्ति रेंज में फैलाता है, चरम उत्सर्जन को कम करता है। अधिक फ़िल्टरिंग हार्डवेयर के बिना एफसीसी/सीई परीक्षण पास करने में मदद करता है। अधिकांश आधुनिक एसएमपीएस चिप्स में यह अंतर्निहित होता है। साइप्रस पीएसओसी आपको डिथरिंग पैटर्न {{6}सॉटूथ, त्रिकोणीय, छद्म{7}यादृच्छिक को नियंत्रित करने की सुविधा भी देता है।

इंटरलीव्ड पीडब्लूएम: कई कन्वर्टर्स को चरण से बाहर चलाएं। 180 डिग्री चरण शिफ्ट पर दो कनवर्टर्स का मतलब है कि इनपुट कैपेसिटर आधा तरंग धारा देखता है। 90 डिग्री फ़ेज़ शिफ्ट पर चार कनवर्टर्स तरंग को चौथाई कर देते हैं। लेकिन अब आपको चैनलों और लोड संतुलन के बीच सटीक चरण सिंक्रनाइज़ेशन की आवश्यकता है ताकि वे समान रूप से वर्तमान साझा करें। आमतौर पर एक समर्पित नियंत्रक आईसी की आवश्यकता होती है जब तक कि आपके माइक्रो में पर्याप्त संसाधन न हों।

GaN FETs 10ns से कम में स्विच कर सकते हैं। 10 मेगाहर्ट्ज+ पीडब्लूएम आवृत्तियों को खोलता है -इंडक्टर छोटे हो जाते हैं, लगभग केवल पीसीबी निशान। लेकिन: बोर्ड लेआउट महत्वपूर्ण है, गेट ड्राइव पर गंभीरता से ध्यान देने की आवश्यकता है, कोई भी इंडक्शन बड़े पैमाने पर ओवरशूट का कारण बनता है। शुरुआती लोगों के लिए नहीं. 2x VDD के लिए एक GaN डिज़ाइन रिंग देखी क्योंकि किसी ने 5 सेमी ट्रेस लंबाई के साथ एक मानक गेट ड्राइवर का उपयोग किया था। FET जीवित नहीं रहा.

PWM

अधिकांश चीज़ों के लिए: 20kHz, हार्डवेयर टाइमर PWM, 10{5}}बिट रिज़ॉल्यूशन। मोटर नियंत्रण और एलईडी डिमिंग के लिए बहुत कुछ। एक गेट ड्राइवर आईसी (न्यूनतम 2ए पीक करंट), एफईटी ड्रेन, फैट ग्राउंड प्लेन पर लो-ईएसआर सिरेमिक कैप जोड़ें। पहले प्रोटोटाइप पर एक स्कोप के साथ स्विचिंग तरंगों की जांच करें, एक बार पुनरावृत्त होने की अपेक्षा करें।

10ए से ऊपर की किसी भी चीज़ के लिए, लेआउट से पहले निरंतर, थर्मल सिमुलेशन। मैं ANSYS का उपयोग करता हूं लेकिन बुनियादी FEA भी अधिकांश समस्याओं को पकड़ लेता है। गर्मी स्रोतों के रूप में नुकसान के साथ तांबे की परतों को निर्यात करें, सीमा की स्थिति निर्धारित करें, जांचें कि क्या कुछ भी अधिकतम परिवेश में 125 डिग्री जंक्शन तापमान तक पहुंचता है। यदि आप 50W से अधिक स्विच कर रहे हैं तो आमतौर पर हीटसिंक या मजबूर हवा की आवश्यकता होती है।

और तापमान पर इसका परीक्षण करें। कमरे के तापमान का परीक्षण शायद 60% समस्याओं को पकड़ लेता है। 8 घंटों के लिए 70 डिग्री परिवेश पर हॉट{3}बॉक्स बाकी पाता है{{6}थर्मल रनअवे, गेट थ्रेशोल्ड शिफ्ट, कैपेसिटर ईएसआर में वृद्धि। मुझे एक सप्ताह में एक बार लागत आई जब एक डिज़ाइन 25 डिग्री पर ठीक काम करता था लेकिन एफईटी 65 डिग्री पर रुक गया क्योंकि मैंने थ्रेसहोल्ड वोल्टेज तापमान गुणांक का हिसाब नहीं दिया था।

वह पीडब्लूएम है। सरल अवधारणा, अंतहीन विवरण।

आखिरी बात: यदि आप बैटरी से चलने वाली PWM चीजें खरीद रहे हैं, तो सेल पर ज्यादा खर्च न करें। कुछ बिना नाम वाले लिथियम पैक्स को एक बार आज़माया था-तरंग धारा को संभाल नहीं सका, लोड के तहत वोल्टेज कम हो गया, पूरा सिस्टम खराब हो गया। उचित पर स्विच किया गयाआयनिक लिथियम बैटरीसभ्य C-रेटिंग वाले मॉड्यूल, समस्या गायब हो गई। प्रति पैक अतिरिक्त $15 ने मुझे एक सप्ताह में तीन सहायता कॉलों से बचाया।