PWM基本原理及充電電流控制

印寧華|Indining China|

2024-08-01 18:59:18 1048

PWM（Pulse Width Modulation）控制——脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。

PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。

理論基礎(chǔ)：

沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。

圖1　形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖

面積等效原理：

分別將如圖1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L電路）上，如圖2a所示。其輸出電流i(t)對不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖2b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。

圖2 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形

用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。

SPWM波形——脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。

圖3 用PWM波代替正弦半波

要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。

PWM電流波：電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波。

PWM波形可等效的各種波形：

直流斬波電路：等效直流波形

SPWM波：等效正弦波形，還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，也基于等效面積原理。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)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采用的脈寬PWM法。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。可以通過調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。

PWM技術(shù)的具體應(yīng)用

PWM軟件法控制充電電流

基本思想就是利用單片機(jī)具有的PWM端口，在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟件的方法調(diào)整單片機(jī)的PWM控制寄存器來調(diào)整PWM的占空比，從而控制充電電流。所要求的單片機(jī)必須具有ADC端口和PWM端口這兩個(gè)必須條件，另外ADC的位數(shù)盡量高，單片機(jī)的工作速度盡量快。在調(diào)整充電電流前，單片機(jī)先快速讀取充電電流的大小，然后把設(shè)定的充電電流與實(shí)際讀取到的充電電流進(jìn)行比較，若實(shí)際電流偏小則向增加充電電流的方向調(diào)整PWM 的占空比；若實(shí)際電流偏大則向減小充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比。在軟件PWM的調(diào)整過程中要注意ADC的讀數(shù)偏差和電源工作電壓等引入的紋波干擾，合理采用算術(shù)平均法等數(shù)字濾波技術(shù)。軟件PWM法具有以下優(yōu)缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：簡化了PWM的硬件電路，降低了硬件的成本。利用軟件PWM不用外部的硬件PWM和電壓比較器，只需要功率MOSFET、續(xù)流磁芯、儲(chǔ)能電容等元器件，大大簡化了外圍電路。

可控制涓流大小。在PWM控制充電的過程中,單片機(jī)可實(shí)時(shí)檢測ADC端口上充電電流的大小，并根據(jù)充電電流大小與設(shè)定的涓流進(jìn)行比較，以決定PWM占空比的調(diào)整方向。

電池喚醒充電。單片機(jī)利用ADC端口與PWM的寄存器可以任意設(shè)定充電電流的大小，所以，對于電池電壓比較低的電池，在上電后，可以采取小電流充一段時(shí)間的方式進(jìn)行充電喚醒，并且在小電流的情況下可以近似認(rèn)為恒流，對電池的沖擊破壞也較小。

缺點(diǎn)：電流控制精度低。充電電流的大小的感知是通過電流采樣電阻來實(shí)現(xiàn)的，采樣電阻上的壓降傳到單片機(jī)的ADC輸入端口，單片機(jī)讀取本端口的電壓就可以知道充電電流的大小。若設(shè)定采樣電阻為Rsample（單位為Ω），采樣電阻的壓降為Vsample（單位為mV）， 10位ADC的參考電壓為5.0V。則ADC的1 LSB對應(yīng)的電壓值為 5000mV/1024≈5mV。一個(gè)5mV的數(shù)值轉(zhuǎn)換成電流值就是50mA，所以軟件PWM電流控制精度最大為50mA。若想增加軟件PWM的電流控制精度，可以設(shè)法降低ADC的參考電壓或采用10位以上ADC的單片機(jī)。

PWM采用軟啟動(dòng)的方式。在進(jìn)行大電流快速充電的過程中，充電從停止到重新啟動(dòng)的過程中，由于磁芯上的反電動(dòng)勢的存在，所以在重新充電時(shí)必須降低PWM的有效占空比,以克服由于軟件調(diào)整PWM的速度比較慢而帶來的無法控制充電電流的問題。

充電效率不是很高。在快速充電時(shí)，因?yàn)椴捎昧顺潆娷泦?dòng)，再加上單片機(jī)的PWM調(diào)整速度比較慢，所以實(shí)際上停止充電或小電流慢速上升充電的時(shí)間是比較大的。

為了克服2和3缺點(diǎn)帶來的充電效率低的問題，我們可以采用充電時(shí)間比較長，而停止充電時(shí)間比較短的充電方式，例如充2s停50ms，再加上軟啟動(dòng)時(shí)的電流慢速啟動(dòng)折合成的停止充電時(shí)間，設(shè)定為50ms，則實(shí)際充電效率為（2000ms－100ms）/2000ms＝95％，這樣也可以保證充電效率在90%以上。

純硬件PWM法控制充電電流

由于單片機(jī)的工作頻率一般都在4MHz左右，由單片機(jī)產(chǎn)生的PWM的工作頻率是很低的，再加上單片機(jī)用ADC方式讀取充電電流需要的時(shí)間，因此用軟件PWM的方式調(diào)整充電電流的頻率是比較低的，為了克服以上的缺陷，可以采用外部高速PWM的方法來控制充電電流。現(xiàn)在智能充電器中采用的PWM控制芯片主要有TL494等,本PWM控制芯片的工作頻率可以達(dá)到300kHz以上，外加阻容元件就可以實(shí)現(xiàn)對電池充電過程中的恒流限壓作用，單片機(jī)只須用一個(gè)普通的I/O端口控制TL494使能即可。另外也可以采用電壓比較器替代TL494，如LM393和LM358等。采用純硬件PWM具有以下優(yōu)缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：電流精度高。充電電流的控制精度只與電流采樣電阻的精度有關(guān)，與單片機(jī)沒有關(guān)系。不受軟件PWM的調(diào)整速度和ADC的精度限制。

充電效率高。不存在軟件PWM的慢啟動(dòng)問題，所以在相同的恒流充電和相同的充電時(shí)間內(nèi)，充到電池中的能量高。

對電池?fù)p害小。由于充電時(shí)的電流比較穩(wěn)定，波動(dòng)幅度很小，所以對電池的沖擊很小，另外TL494還具有限壓作用，可以很好地保護(hù)電池。

缺點(diǎn)：硬件的價(jià)格比較貴。TL494的使用在帶來以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，增加了產(chǎn)品的成本，可以采用LM358或LM393的方式進(jìn)行克服。

涓流控制簡單，并且是脈動(dòng)的。電池充電結(jié)束后，一般采用涓流充電的方式對電池維護(hù)充電，以克服電池的自放電效應(yīng)帶來的容量損耗。單片機(jī)的普通I/O控制端口無法實(shí)現(xiàn)PWM端口的功能，即使可以用軟件模擬的方法實(shí)現(xiàn)簡單的PWM功能，但由于單片機(jī)工作的實(shí)時(shí)性要求，其軟件模擬的PWM頻率也比較低，所以最終采用的還是脈沖充電的方式，例如在10%的時(shí)間是充電的，在另外90%時(shí)間內(nèi)不進(jìn)行充電。這樣對充滿電的電池的沖擊較小。

單片機(jī) PWM控制端口與硬件PWM融合

對于單純硬件PWM的涓流充電的脈動(dòng)問題，可以采用具有PWM端口的單片機(jī)，再結(jié)合外部PWM芯片即可解決涓流的脈動(dòng)性。

在充電過程中可以這樣控制充電電流：采用恒流大電流快速充電時(shí)，可以把單片機(jī)的PWM輸出全部為高電平（PWM控制芯片高電平使能）或低電平（PWM控制芯片低電平使能）；當(dāng)進(jìn)行涓流充電時(shí)，可以把單片機(jī)的PWM控制端口輸出PWM信號(hào)，然后通過測試電流采樣電阻上的壓降來調(diào)整PWM的占空比，直到符合要求為止。

PWM一般選用電壓控制型逆變器，是通過改變功率晶體管交替導(dǎo)通的時(shí)間來改變逆變器輸出波形的頻率，改變每半周期內(nèi)晶體管的通斷時(shí)間比，也就是說通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓副值的大小。其整流部分與逆變部分基本是對稱的。

總之，最后的輸出波形可調(diào)，副值可調(diào)，甚至功率因數(shù)也可調(diào)，不過，好象都是用正弦波做為基波的啦。

多相PWM控制電源

多相PWM控制原理主要涉及到多個(gè)單相供電回路并在一起，?形成多相供電。?這種供電方式并非簡單地將元件并聯(lián)，?而是在并聯(lián)的基礎(chǔ)上，?通過交錯(cuò)PWM信號(hào)的工作時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。?具體來說，?多相供電通過多個(gè)單相供電回路同時(shí)工作，?每個(gè)回路的PWM信號(hào)波相位不同，?且任何兩相不會(huì)同時(shí)工作，?從而實(shí)現(xiàn)了電源的有效管理和效率提升。?

多相PWM控制的核心在于PWM信號(hào)的設(shè)計(jì)和處理。?在PWM控制中，?通過對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，?可以實(shí)現(xiàn)對模擬信號(hào)的數(shù)字化控制。?這種技術(shù)的基礎(chǔ)是面積等效原理，?即通過調(diào)整脈沖的寬度來等效地獲得所需的波形。?PWM控制波形的一種典型例子是SPWM波，?即脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。?

多相供電的實(shí)現(xiàn)依賴于PWM芯片的支持，?至少需要支持4相PWM的芯片，?以驅(qū)動(dòng)4組MOSFET和電感工作。?這種技術(shù)通過交錯(cuò)的工作時(shí)間，?提高了電源系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，?特別適用于需要高電流輸出或高功率的應(yīng)用場景。?多相供電與多路供電的概念不同，?后者僅僅是元件的簡單并聯(lián)，?而前者在并聯(lián)的基礎(chǔ)上，?通過PWM信號(hào)的相位和工作時(shí)間交錯(cuò)，?實(shí)現(xiàn)了更高效的電源管理。

主從PWM多相供電方案

上圖為4相供電的DC-DC降壓電路，PWM控制部分采用主從結(jié)構(gòu)，主控芯片輸出相位信號(hào)，從控芯片S1、S2、S3和S4向MOSFET輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。各相MOSFET按照90°(360°/4)的相位差輪流導(dǎo)通，再經(jīng)LC濾波電路平滑濾波后輸出給CPU。

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