PWM技术的基本原理

随着电子技术的发展,出现了多种PWM技术,其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等,而本文介绍的是在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法。它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。

PWM技术的具体应用

PWM软件法控制充电电流

本方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口,在不改变PWM方波周期的前提下,通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比,从而控制充电电流。本方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件,另外ADC的位数尽量高,单片机的工作速度尽量快。在调整充电电流前,单片机先快速读取充电电流的大小,然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较,若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比;若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰,合理采用算术平均法等数字滤波技术。软件PWM法具有以下优缺点。

优点：

简化了PWM的硬件电路,降低了硬件的成本。利用软件PWM不用外部的硬件PWM和电压比较器,只需要功率MOSFET、续流磁芯、储能电容等元器件,大大简化了外围电路。 可控制涓流大小。在PWM控制充电的过程中,单片机可实时检测ADC端口上充电电流的大小,并根据充电电流大小与设定的涓流进行比较,以决定PWM占空比的调整方向。 电池唤醒充电。单片机利用ADC端口与PWM的寄存器可以任意设定充电电流的大小,所以,对于电池电压比较低的电池,在上电后,可以采取小电流充一段时间的方式进行充电唤醒,并且在小电流的情况下可以近似认为恒流,对电池的冲击破坏也较小。

缺点：

电流控制精度低。充电电流的大小的感知是通过电流采样电阻来实现的,采样电阻上的压降传到单片机的ADC输入端口,单片机读取本端口的电压就可以知道充电电流的大小。若设定采样电阻为Rsample（单位为Ω）,采样电阻的压降为Vsample（单位为mV）, 10位ADC的参考电压为5.0V。则ADC的1 LSB对应的电压值为 5000mV/1024≈5mV。一个5mV的数值转换成电流值就是50mA,所以软件PWM电流控制精度最大为50mA。若想增加软件PWM的电流控制精度,可以设法降低ADC的参考电压或采用10位以上ADC的单片机。 PWM采用软启动的方式。在进行大电流快速充电的过程中,充电从停止到重新启动的过程中,由于磁芯上的反电动势的存在,所以在重新充电时必须降低PWM的有效占空比,以克服由于软件调整PWM的速度比较慢而带来的无法控制充电电流的问题。 充电效率不是很高。在快速充电时,因为采用了充电软启动,再加上单片机的PWM调整速度比较慢,所以实际上停止充电或小电流慢速上升充电的时间是比较大的。

为了克服2和3缺点带来的充电效率低的问题,我们可以采用充电时间比较长,而停止充电时间比较短的充电方式,例如充2s停50ms,再加上软启动时的电流慢速启动折合成的停止充电时间,设定为50ms,则实际充电效率为（2000ms－100ms）/2000ms＝95％,这样也可以保证充电效率在90%以上。

纯硬件PWM法控制充电电流

由于单片机的工作频率一般都在4MHz左右,由单片机产生的PWM的工作频率是很低的,再加上单片机用ADC方式读取充电电流需要的时间,因此用软件PWM的方式调整充电电流的频率是比较低的,为了克服以上的缺陷,可以采用外部高速PWM的方法来控制充电电流。现在智能充电器中采用的PWM控制芯片主要有TL494等,本PWM控制芯片的工作频率可以达到300kHz以上,外加阻容元件就可以实现对电池充电过程中的恒流限压作用,单片机只须用一个普通的I/O端口控制TL494使能即可。另外也可以采用电压比较器替代TL494,如LM393和LM358等。采用纯硬件PWM具有以下优缺点。

优点：

电流精度高。充电电流的控制精度只与电流采样电阻的精度有关,与单片机没有关系。不受软件PWM的调整速度和ADC的精度限制。 充电效率高。不存在软件PWM的慢启动问题,所以在相同的恒流充电和相同的充电时间内,充到电池中的能量高。 对电池损害小。由于充电时的电流比较稳定,波动幅度很小,所以对电池的冲击很小,另外TL494还具有限压作用,可以很好地保护电池。

缺点：

硬件的价格比较贵。TL494的使用在带来以上优点的同时,增加了产品的成本,可以采用LM358或LM393的方式进行克服。 涓流控制简单,并且是脉动的。电池充电结束后,一般采用涓流充电的方式对电池维护充电,以克服电池的自放电效应带来的容量损耗。单片机的普通I/O控制端口无法实现PWM端口的功能,即使可以用软件模拟的方法实现简单的PWM功能,但由于单片机工作的实时性要求,其软件模拟的PWM频率也比较低,所以最终采用的还是脉冲充电的方式,例如在10%的时间是充电的,在另外90%时间内不进行充电。这样对充满电的电池的冲击较小。

单片机 PWM控制端口与硬件PWM融合

对于单纯硬件PWM的涓流充电的脉动问题,可以采用具有PWM端口的单片机,再结合外部PWM芯片即可解决涓流的脉动性。

在充电过程中可以这样控制充电电流：采用恒流大电流快速充电时,可以把单片机的PWM输出全部为高电平（PWM控制芯片高电平使能）或低电平（PWM控制芯片低电平使能）;当进行涓流充电时,可以把单片机的PWM控制端口输出PWM信号,然后通过测试电流采样电阻上的压降来调整PWM的占空比,直到符合要求为止。