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Power

PWM 듀티 사이클 계산기

온타임 및 주기 파라미터로부터 PWM 듀티 사이클, 주파수, 평균 전압, 오프 타임 및 RMS 전압 계산

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공식

D=ton/T×100D = t_on / T × 100%, V_avg = V_cc × D, V_rms = V_cc × √D
D— 듀티 사이클 (%)
t_on— 정시에 (μs)
T— 기간 (μs)
V_cc— 공급 전압 (V)
V_avg— 평균 전압 (V)
V_rms— RMS 전압 (V)

작동 방식

PWM 듀티 사이클 계산기는 모터 속도 제어, LED 디밍 및 스위칭 전력 컨버터에 필수적인 펄스 폭 변조 신호의 온타임 백분율, 평균 전압 및 전력 공급을 결정합니다.임베디드 개발자, 모터 제어 엔지니어 및 전력 전자 설계자는 이 도구를 사용하여 타이머 주변 장치를 구성하고 구동 회로를 최적화합니다.TI 애플리케이션 노트 SPRAA88 에 따르면 PWM은 선형 레귤레이션이 아닌 완전히 켜기/끄기로 전환하여 거의 무손실에 가까운 전력 제어를 구현합니다. 즉, 50% 듀티 사이클 모터 드라이브는 MOSFET에서는 2% 미만의 전력을 소비하는 반면 선형 레귤레이터에서는 50% 미만의 전력을 소비합니다.Vavg = Vpp × D (여기서 D = Ton/t) 의 기본 관계는 부하의 기계적 관성 또는 열적 관성으로 표시되는 평균 전압을 제공합니다.마이크로칩 AN964 기준 PWM 주파수는 부하 시간 상수를 최소 10배 초과해야 합니다. 모터 기계적 시간 상수 θ = J×R/K² (일반적으로 10-100ms) 에는 fsw > 1kHz가 필요하며 LED 열 시간 상수 (~100ms) 는 깜박임 없는 디밍을 위해 100Hz 이상을 허용합니다.해상도는 타이머 클럭 및 주기에 따라 달라집니다. 8비트 타이머는 256단계 (0.4% 해상도) 를 제공하는 반면 16비트 타이머는 65,536단계 (< 0.002% 해상도) 를 제공합니다.

계산 예제

공칭 속도가 500RPM인 12V DC 모터용 PWM 모터 속도 제어를 설계합니다.요구 사항: 속도 범위 10-100%, 속도 리플 5% 미만, 최소 가청 소음.1단계: 목표 주파수 계산 — 모터 시간 상수 θ = 50ms (데이터시트 J, R, K 참조).< 5% ripple: fsw >3/ (0.05 × θ) 의 경우 = 1.2kHz입니다.들리지 않는 작동 시: 약 20kHz 이상 (사람의 청력보다 높음).25kHz를 선택하세요.2단계: 타이머 구성 결정 — 72MHz에서 STM32 사용: 주기 = 72M/ 25k = 2880카운트.해상도 = 1/2880 = 0.035% (우수).3단계: 50% 속도에 대한 듀티 사이클 계산 — 선형 V 속도 관계를 가정하면 D = 250RPM의 경우 50% 입니다.Vavg = 12 × 0.5 = 6 V. 4단계: MOSFET 온도 검증 — 25kHz에서 스위칭 시간이 20ns인 경우 Qg = 30nC: Psw = 30n × 12 × 25k = 9mW.파운드 속도: 5A, 10mΩ: 0.25W. 합계: 0.26W — SOT-23 패키지에는 히트싱크가 필요하지 않습니다.5단계: 스너버 추가 — 모터 인덕턴스로 인해 Vspike = L×di/dt가 발생합니다.100µH의 경우 50ms 내에 5A 턴오프 시: V스파이크 = 10V. 총 = 22V로 MOSFET 정격 30V 이내입니다.

실용적인 팁

  • ✓Infineon 모터 컨트롤 애플리케이션 노트에 따르면 EMI를 줄이려면 중앙 정렬 PWM을 사용하십시오. 대칭 스위칭은 에지 정렬에 비해 전류 리플이 절반인 2배의 유효 스위칭 주파수를 생성합니다.
  • ✓소프트 스타트 램프 (100-500ms) 를 구현하여 기계적 충격과 돌입 전류를 방지하여 10-50 PWM 사이클에 걸쳐 듀티 사이클을 0% 에서 목표까지 선형적으로 늘립니다.
  • ✓아날로그 전압 출력 애플리케이션을 위해 PWM 다음에 RC 로우패스 필터 (fc = fsw/100) 추가 — 2.5kHz 필터 및 10µF 커패시터를 갖춘 25kHz PWM은 1% 미만의 리플 DC 전압을 생성합니다.

흔한 실수

  • ✗부하 대역폭보다 낮은 PWM 주파수 사용 — 시정수가 20ms인 모터에서 100Hz PWM은 사이클당 15-20% 의 속도 변동을 일으켜 원활한 작동을 위해 1+kHz로 증가합니다.
  • ✗낮은 듀티 사이클에서 데드밴드 무시 — 게이트 드라이버 전파 지연 (10~50ns) 은 최소 유효 온타임을 설정합니다. 1MHz PWM에서 50ns의 최소 온타임은 해상도를 최소 듀티 사이클의 5% 로 제한합니다.
  • ✗<500 Hz or >모터 드라이브용 가청 PWM 주파수 (500Hz - 15kHz) 선택 — 모터 권선에서 발생하는 전자기 음향 소음으로 인해 짜증나는 소리가 들림, 18kHz 사용

자주 묻는 질문

모터 및 LED 드라이버별 규칙: 이론적으로는 0-100% 가능하지만 드라이버 제한으로 인해 5-95% 실용적입니다.D < 5% 에서는 최소 온타임 제약이 우세합니다.D 95% 에서는 하이사이드 드라이버에서 부트스트랩 커패시터 재충전이 실패합니다.LED 드라이버 (TI TPS92515) 는 전용 < 1% 저휘도 모드에서 1-100% 디밍 범위를 지정합니다.스톨을 방지하고 안정적인 정류를 보장하기 위해 모터 드라이브는 일반적으로 10~ 90% 로 제한합니다.
저항 부하에 대한 평균 전력 Pag = 피크 × D.유도 부하 (모터) 의 경우: 역기전력으로 인해 전력 관계가 비선형적입니다.50% 듀티 사이클에서 12V/1A 모터는 인덕턴스의 연속 전류 모드로 인해 평균 약 0.6A (0.5A가 아님) 를 소비합니다.TI DRV8870 데이터시트에 따르면 실제 전력 공급은 Pavg = (Vbus - Vbemf) × Iavg × D + Vbemf × Iavg입니다.
예. PWM과 로우패스 필터링이 결합되어 유사 아날로그 출력이 생성됩니다.아날로그 디바이스 MT-015 기준으로 fc = FSw/2^n 필터를 사용하는 N비트 PWM은 N비트 아날로그 해상도를 제공합니다.예: 1.5Hz 필터가 장착된 100kHz의 16비트 PWM은 16비트 DAC (해상도 0.0015%) 를 생성합니다.한계: 해상도에 반비례하는 응답 시간과 필터 구성 요소 허용 오차에 따라 노이즈 플로어가 설정됩니다.
IEEE 1789 기준 (플리커 안전 표준): 3kHz 이상은 모든 듀티 사이클에서 눈에 띄는 플리커를 제거하며, 10% 이상의 듀티 사이클에 대해 100Hz 이상이면 충분합니다.사람의 눈 감지 임계값은 밝기에 따라 달라집니다. 즉, 1% 듀티 사이클에서 최대 2kHz까지 깜박임을 볼 수 있습니다.전문 비디오 조명이 롤링 셔터 결함을 방지하려면 25kHz 이상이 필요합니다.표준 LED 드라이버 (TI TPS92200) 는 독자적인 플리커 감소 알고리즘을 사용하여 200-1000Hz에서 작동합니다.
N비트 타이머의 경우 해상도는 1/2^N입니다.STM32 애플리케이션 노트 AN4013 기준: 8비트 = 0.39% 스텝 (256 레벨), 10비트 = 0.1% 스텝 (1024 레벨), 16비트 = 0.0015% 스텝 (65536 레벨).모터 속도 제어의 경우 8-10비트면 충분합니다 (1% 속도 정확도).정밀 LED 디밍 (1000:1 비율) 을 위해서는 10비트 이상이 필요합니다.오디오 DAC의 경우 최소 16비트해상도가 높을수록 타이머 주기가 길거나 클럭 속도가 빨라야 합니다. 20kHz에서 16비트는 1.3GHz 클럭 또는 프리스케일러 조정이 필요합니다.

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