PWM基本原理及充电电流控制

印宁华|Indining China|

2024-08-01 18:56:52 1017

PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

理论基础：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

图1　形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

面积等效原理：

分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

图2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。

图3 用PWM波代替正弦半波

要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。

PWM电流波：电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。

PWM波形可等效的各种波形：

直流斩波电路：等效直流波形

SPWM波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。

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

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。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。

PWM一般选用电压控制型逆变器，是通过改变功率晶体管交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率，改变每半周期内晶体管的通断时间比，也就是说通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压副值的大小。其整流部分与逆变部分基本是对称的。

总之，最后的输出波形可调，副值可调，甚至功率因数也可调，不过，好象都是用正弦波做为基波的啦。

多相PWM控制电源

多相PWM控制原理主要涉及到多个单相供电回路并在一起，?形成多相供电。?这种供电方式并非简单地将元件并联，?而是在并联的基础上，?通过交错PWM信号的工作时间来实现。?具体来说，?多相供电通过多个单相供电回路同时工作，?每个回路的PWM信号波相位不同，?且任何两相不会同时工作，?从而实现了电源的有效管理和效率提升。?

多相PWM控制的核心在于PWM信号的设计和处理。?在PWM控制中，?通过对脉冲的宽度进行调制，?可以实现对模拟信号的数字化控制。?这种技术的基础是面积等效原理，?即通过调整脉冲的宽度来等效地获得所需的波形。?PWM控制波形的一种典型例子是SPWM波，?即脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。?

多相供电的实现依赖于PWM芯片的支持，?至少需要支持4相PWM的芯片，?以驱动4组MOSFET和电感工作。?这种技术通过交错的工作时间，?提高了电源系统的效率和稳定性，?特别适用于需要高电流输出或高功率的应用场景。?多相供电与多路供电的概念不同，?后者仅仅是元件的简单并联，?而前者在并联的基础上，?通过PWM信号的相位和工作时间交错，?实现了更高效的电源管理。

主从PWM多相供电方案

上图为4相供电的DC-DC降压电路，PWM控制部分采用主从结构，主控芯片输出相位信号，从控芯片S1、S2、S3和S4向MOSFET输出PWM驱动信号。各相MOSFET按照90°(360°/4)的相位差轮流导通，再经LC滤波电路平滑滤波后输出给CPU。

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