De temps en temps, un nouveau format de données apparaît, et nous pensons qu’il s’agit simplement d’une faute de frappe. La modulation de fréquence d’impulsions n’est pas nouvelle, mais de nombreux ingénieurs l’ignorent encore.
Lorsque nous utilisons le terme « PWM », la plupart des gens reconnaissent immédiatement cela comme modulation de largeur d’impulsion, la conversion d’une échelle de 0% à 100% de valeurs en une valeur numérique. Seule la durée d’une impulsion doit être mesurée pour déterminer la valeur analogique.
La PWM est en effet courante, et ses applications sont nombreuses : de la commande des moteurs à la simulation de tensions variables pour les dispositifs à faible charge, et même certaines applications audio où les véritables valeurs analogiques sont difficiles ou impraticables.
Cependant, une technologie similaire est beaucoup moins connue mais reste assez courante en application. Il s’agit de la modulation de fréquence d’impulsions ou PFM.
Qu’est-ce que la modulation de fréquence d’impulsions ?
Comme son cousin PWM courant, la technologie de modulation de fréquence d’impulsions est principalement utilisée pour convertir une gamme de signaux, appelée valeur analogique, en une mesure numérique changeante qui peut être capturée même par les ordinateurs discrets les plus basiques. De cette manière, elle peut être utilisée par des microcontrôleurs et des contrôleurs industriels (comme les automates programmables) et s’adapter facilement aux ordinateurs industriels plus avancés.
Figure 1. Comparaison entre PFM et PWM pour les signaux de basse et haute portée. Notez que la PWM en haut a une fréquence fixe, avec une largeur variable %, tandis que le PFM en bas a une largeur fixe %, mais une fréquence variable. Image offerte par Control Automation
En quoi la PFM est-elle différente de la PWM?
La principale différence entre la PWM et la PFM est que la PWM, puisque la largeur de l’impulsion change à une fréquence fixe, un minuterie doit être réservée pour mesurer la durée de la période « on » de l’impulsion, donnant ainsi un pourcentage de « cycle de travail », équivalent à 0-100 % du signal analogique de pleine tension. Étant donné que la fréquence du signal ne change pas, seule la durée de la période « on » change, nous n’avons pas besoin de compter le nombre de cycles en une seconde car elle est fixe.
En revanche, le concept de PFM varie la fréquence du signal, mais chaque impulsion maintient un temps égal d’arrêt et de marche. Cette impulsion carrée est connue sous le nom d’impulsion d’onde carrée, nous n’avons donc pas besoin de mesurer la durée de chaque impulsion. Il existe deux manières de mesurer un signal PFM, offrant une certaine diversité aux cas d’utilisation et aux théories de contrôle.
Mesurer la largeur totale de l’impulsion
Tout d’abord, une minuterie peut être utilisée pour mesurer la durée totale de l’impulsion, puis, dans la mode mathématique électronique typique, l’inverse de cette durée d’impulsion peut être utilisée pour calculer la fréquence.
Mesurer les comptes d’impulsion sur une période fixe
Si l’utilisation d’une minuterie pour mesurer chaque impulsion n’est pas pratique ou impossible, un compteur peut être utilisé pour mesurer le temps de montée ou de descente. Le compteur additionne le nombre d’impulsions sur une courte période pour fournir un instantané de la fréquence actuelle.
Ces deux stratégies – temps d’impulsion et comptage d’impulsions – dépendent d’une fréquence min et max connue qui se rapporte à 0% et 100% de la valeur réelle à pleine échelle. La fréquence maxi ne doit pas être supérieure à ce que le compteur matériel peut détecter.
Où utilise-t-on le PFM ?
Un des principaux inconvénients de l’utilisation du PFM est la perturbation des applications voisines car la fréquence change à travers une plage. La PWM, en revanche, est une fréquence fixe d’impulsions, donc le Hz peut être optimisé pour éliminer les interférences avec les équipements de transmission ou de contrôle voisins.
Pour cette raison, le PFM n’est pas utilisé dans autant d’applications que la PWM, cependant, deux applications principales dominent son utilisation.
Figure 2. Lorsque les tores et les inducteurs à noyau de ferrite sont utilisés avec un cycle de service PWM très faible pour des charges légères, ils peuvent réduire l’efficacité de l’alimentation, en capitalisant plutôt sur le PFM. Image offert par Adobe Stock
Sources d’alimentation
Tout d’abord, les alimentations à découpage reposent sur une sortie CC pulsée, variant la puissance de sortie en fonction des conditions de charge. Cela permet aux charges lourdes de recevoir une alimentation plus constante, tandis que les charges plus légères peuvent consommer moins d’énergie de la source, ce qui entraîne une alimentation plus efficace.
Cependant, lorsque la PWM typique est fournie à une charge légère, le temps « off » de l’impulsion est très long, de sorte que l’inducteur fournissant l’énergie peut se décharger complètement, et le condensateur de l’alimentation peut également se décharger, réduisant l’efficacité car il doit être rechargé avant de fournir de l’énergie à la charge. Pour prévenir ce problème, le modèle PFM utilise une onde carrée avec des temps égaux de marche/arrêt, de sorte que l’inducteur n’est jamais capable de se décharger et que l’alimentation en courant est continue.
Capteurs PFM
Plusieurs entreprises ont développé des systèmes de mesure analogiques équivalents qui utilisent toujours des qualités numériques. L’utilisation du PFM et le comptage des transitions d’arêtes peuvent consommer beaucoup moins de puissance de traitement dédiée que l’exécution de tâches de minuterie continues, comme cela serait nécessaire pour la PWM.
Figure 3. Convertisseur de Banner Engineering de signaux analogiques à signaux de sortie pulsés. Image offerte par Banner Engineering
Dans les systèmes modernes, avec la variété des protocoles purement analogiques et avancés comme l’IO-Link, le PFM n’est pas considéré comme une solution très courante au problème de la signalisation analogique, cependant, certaines applications (comme le système S15C de Banner Engineering) fournissent une méthode de conversion entre les signaux analogiques purs et les sorties commutées discrètes pour l’interface avec des contrôleurs purement numériques.
Quelle est la fréquence d’utilisation du PFM ?
Encore une fois, cette méthode de commutation de signal n’est peut-être pas une méthode de train d’impulsions très courante. Les similitudes entre PWM et PFM peuvent prêter à confusion, mais il est utile de comprendre les différences pour reconnaître pourquoi la PWM a été exploitée dans quelques domaines clés d’application à travers l’industrie.