PWM デューティサイクル計算ツール
PWMデューティサイクル、周波数、平均電圧、オフタイム、およびRMS電圧をオンタイムとピリオドのパラメータから計算
公式
仕組み
PWMデューティサイクル計算機は、モーター速度制御、LED調光、およびスイッチング電力コンバーターに不可欠なパルス幅変調信号のオンタイムパーセンテージ、平均電圧、および電力供給量を決定します。組み込み開発者、モーター制御エンジニア、パワーエレクトロニクス設計者は、このツールを使用してタイマー周辺機器の設定やドライブ回路の最適化を行っています。TIのアプリケーションノートSPRAA88によると、PWMはリニアレギュレーションではなく完全にオン/オフを切り替えることでほぼ無損失の電力制御を実現しています。デューティサイクルが 50% のモータードライブは、リニアレギュレータの 50% に対して、MOSFETでは 2% 未満の電力を消費します。基本的な関係であるVavg = Vpp × D (ここで D = ton/T) は、負荷の機械的慣性または熱慣性から見た平均電圧を示します。マイクロチップAN964によると、PWM周波数は負荷時定数を最小で10倍超える必要があります。モーターの機械式時定数= J×R/K²（通常は10〜100ms）にはfsw> 1kHzが必要ですが、LEDの熱時定数（約100ミリ秒）では100Hz以上でちらつきのない調光が可能です。分解能はタイマークロックと周期によって異なります。8ビットタイマーは256ステップ（0.4％の分解能）、16ビットタイマーは65,536ステップ（0.002％未満の分解能）を実現します。
計算例
公称速度が 500 RPM の 12 V DC モーターの PWM モーター速度制御を設計します。要件:速度範囲は 10 ～ 100%、速度リップルは 5% 未満、可聴ノイズは最小限です。ステップ 1: 目標周波数の計算 — モーター時定数 = 50 ms (データシート J、R、K より)< 5% ripple: fsw >3/ (0.05 ×) = 1.2 kHz の場合。聞こえない動作の場合:fsw > 20 kHz (人間の聴力以上)25 kHz を選択してください。ステップ 2: タイマー構成の決定 — 72 MHz で STM32 を使用する場合、ピリオド = 72 M/25k = 2880 カウント。解像度 = 1/2880 = 0.035% (素晴らしい)。ステップ 3:50% の速度でのデューティサイクルの計算 — V 速度の線形関係を仮定すると、250 RPM で D = 50% になります。Vavg = 12 × 0.5 = 6 V. ステップ 4: MOSFET のサーマルの検証 — 25 kHz、スイッチング時間が 20 ナノ秒の場合、Qg = 30 nC: Psw = 30 nC: Psw = 30 n × 12 × 25k = 9 mW。5A、10mΩ時の消費電力 (秒): 0.25 W。合計:0.26 W — SOT-23 パッケージにはヒートシンクは不要です。ステップ 5: スナバーの追加 — モーターのインダクタンスにより Vspike = L×di/dt が発生します。100 µH、50 ナノ秒で 5 A ターンオフした場合、Vスパイク = 10 V、合計 = 22 V、MOSFET 定格の 30 V の範囲内です。
実践的なヒント
- ✓インフィニオンのモーター制御アプリケーションノートによると、EMIを低減するには中央揃えのPWMを使用してください。対称スイッチングでは、エッジアライメントと比較して2倍の実効スイッチング周波数が得られ、電流リップルは半分になります。
- ✓ソフトスタートランプ（100～500 ms）を実装して機械的な衝撃や突入電流を防ぎ、デューティサイクルを 0% から10～50 PWMサイクル以上の目標値まで直線的に増加させる
- ✓アナログ電圧出力アプリケーションでは、PWM の後に RC ローパスフィルタ (fc = fsw/100) を追加します。25 kHz PWM (2.5 kHz フィルタと 10 µF コンデンサを使用した場合、リップル DC 電圧は 1% 未満になります)
よくある間違い
- ✗負荷帯域幅より低い PWM 周波数の使用 — 時定数が 20 ms のモーターで 100 Hz PWM を使用すると、1 サイクルあたり 15 ～ 20% の速度変動が発生し、1 kHz以上に上げるとスムーズな動作になります
- ✗低デューティ・サイクルではデッドバンドを無視 — ゲート・ドライバの伝搬遅延 (10～50ns) により最小有効オン時間が設定される。1MHz PWMでは、最小オン時間が50nsの場合、分解能は最小デューティ・サイクルの 5% に制限される
- ✗<500 Hz or >モータードライブ用の可聴PWM周波数（500 Hz～15 kHz）を選択する — モーター巻線からの電磁音響ノイズが煩わしい鳴き声を発します。18 kHz を使用してください
よくある質問
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