PWM技術在智能充電器中的應用

    介紹了PWM 技術的基本原理。並詳細介紹在智能充電器中採用的PWM技術的方法和其優缺點。並針對問題提出了更加合理的解決方案。本文介紹的方法主要面向鎳氫和鎳鎘電池充電器等應用。

PWM技術的基本原理
    隨著電子技術的發展，出現了多種PWM 技術，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM 法、隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而本文介紹的是在鎳氫電池智能充電器中採用的脈寬PWM法。它是把每一脈衝寬度均相等的脈衝列作為PWM波形，通過改變脈衝列的周期可以調頻，改變脈衝的寬度或占空比可以調壓，採用適當控制方法即可使電壓與頻率協調變化。可以通過調整PWM的周期、PWM的占空比而達到控制充電電流的目的。

PWM技術的具體應用
    PWM軟體法控制充電電流本方法的基本思想就是利用單片機具有的PWM埠，在不改變PWM 方波周期的前提下，通過軟體的方法調整單片機的PWM 控制寄存器來調整PWM的占空比，從而控制充電電流。本方法所要求的單片機必須具有ADC埠和PWM埠這兩個必須條件，另外ADC的位數盡量高，單片機的工作速度盡量快。在調整充電電流前，單片機先快速讀取充電電流的大小，然後把設定的充電電流與實際讀取到的充電電流進行比較，若實際電流偏小則向增加充電電流的方向調整PWM 的占空比；若實際電流偏大則向減小充電電流的方向調整PWM 的占空比。在軟體PWM 的調整過程中要注意ADC的讀數偏差和電源工作電壓等引入的紋波干擾，合理採用算術平均法等數字濾波技術。軟體PWM法具有以下優缺點。
優點：

1. 簡化了PWM 的硬體電路，降低了硬體的成本。利用軟體PWM不用外部的硬體PWM和電壓比較器，只需要功率MOSFET、續流磁芯、儲能電容等元器件，大大簡化了外圍電路。
2. 可控制涓流大小。在PWM控制充電的過程中，單片機可實時檢測ADC埠上充電電流的大小，並根據充電電流大小與設定的涓流進行比較，以決定PWM 占空比的調整方向。
3.  電池喚醒充電。單片機利用ADC埠與PWM的寄存器可以任意設定充電電流的大小，所以，對於電池電壓比較低的電池，在上電后，可以採取小電流充一段時間的方式進行充電喚醒，並且在小電流的情況下可以近似認為恆流，對電池的衝擊破壞也較小。

缺點：

1. 電流控制精度低。充電電流的大小的感知是通過電流採樣電阻來實現的，採樣電阻上的壓降傳到單片機的ADC輸入埠，單片機讀取本埠的電壓就可以知道充電電流的大小。若設定採樣電阻為Rsample(單位為Ω)，採樣電阻的壓降為Vsample (單位為mV)， 10位ADC的參考電壓為5．0V。則ADC的1 LSB對應的電壓值為5000mV／1024 =5mV。一個5mV的數值轉換成電流值就是50mA，所以軟體PWM 電流控制精度最大為50mA。若想增加軟體PWM的電流控制精度，可以設法降低ADC的參考電壓或採用10位以上ADC的單片機。
2. PWM 採用軟啟動的方式。在進行大電流快速充電的過程中，充電從停止到重新啟動的過程中，由於磁芯上的反電動勢的存在，所以在重新充電時必須降低PWM 的有效占空比，以克服由於軟體調整PWM的速度比較慢而帶來的無法控制充電電流的問題。
3. 充電效率不是很高。在快速充電時，因為採用了充電軟啟動，再加上單片機的PWM 調整速度比較慢，所以實際上停止充電或小電流慢速上升充電的時間是比較大的。

    為了克服2和3缺點帶來的充電效率低的問題，我們可以採用充電時間比較長，而停止充電時間比較短的充電方式，例如充2s停50ms，再加上軟啟動時的電流慢速啟動摺合成的停止充電時間，設定為50ms，則實際充電效率為(2000ms一100ms)／2000ms= 95％ ，這樣也可以保證充電效率在90％以上。

純硬體PWM法控制充電電流
    由於單片機的工作頻率一般都在4MHz左右，由單片機產生的PWM的工作頻率是很低的，再加上單片機用ADC方式讀取充電電流需要的時間，因此用軟體PWM 的方式調整充電電流的頻率是比較低的，為了克服以上的缺陷，可以採用外部高速PWM 的方法來控制充電電流。現在智能充電器中採用的PWM 控制晶元主要有TL494等，本PWM 控制晶元的工作頻率可以達到300kHz以上，外加阻容元件就可以實現對電池充電過程中的恆流限壓作用，單片機只須用一個普通的I／O埠控制TL494使能即可。另外也可以採用電壓比較器替代TL494，如LM393和LM358等。採用純硬體PWM具有以下優缺點。
優點：

1. 電流精度高。充電電流的控制精度只與電流採樣電阻的精度有關，與單片機沒有關係。不受軟體PWM的調整速度和ADC的精度限制。
2. 充電效率高。不存在軟體PWM的慢啟動問題，所以在相同的恆流充電和相同的充電時間內，充到電池中的能量高。
3. 對電池損害小。由於充電時的電流比較穩定，波動幅度很小，所以對電池的衝擊很小，另外TL494還具有限壓作用，可以很好地保護電池。

缺點：

1. 硬體的價格比較貴。TL494的使用在帶來以上優點的同時，增加了產品的成本，可以採用LM358或LM393的方式進行克服。
2.  涓流控制簡單，並且是脈動的。電池充電結束后，一般採用涓流充電的方式對電池維護充電，以克服電池的自放電效應帶來的容量損耗。單片機的普通I／O控制埠無法實現PWM埠的功能，即使可以用軟體模擬的方法實現簡單的PWM功能，但由於單片機工作的實時性要求，其軟體模擬的PWM頻率也比較低，所以最終採用的還是脈衝充電的方式，例如在10％的時間是充電的，在另外90％時間內不進行充電。這樣對充滿電的電池的衝擊較小。

單片機PWM控制埠與硬體PWM融合
    對於單純硬體PWM 的涓流充電的脈動問題，可以採用具有PWM埠的單片機，再結合外部PWM晶元即可解決涓流的脈動性。
    在充電過程中可以這樣控制充電電流：採用恆流大電流快速充電時，可以把單片機的PWM 輸出全部為高電平(PWM控制晶元高電平使能)或低電平(PWM控制晶元低電平使能)；當進行涓流充電時，可以把單片機的PWM控制埠輸出PWM 信號，然後通過測試電流採樣電阻上的壓降來調整PWM的占空比，直到符合要求為止。