PWM技术在单片机控制智能充电器中的应用

1、PWM 技术在单片机控制智能充电器中的应用介绍了 PWM 技术的基本原理，并详细介绍了在智能充电器中采用的PWM 技术的方法和其优缺点，并针对问题提出了更加合理的解决方案, 本文介绍的方法主要面向镍氢和镍镉电池充电器等应用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

2、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

3、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：1. 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。2. 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。3. 电池唤醒充电。单片机利用 ADC 端口与 PWM

4、 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：1. 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 ），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/10245mV。一个 5mV 的数值

5、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。2. 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。3. 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

6、 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

7、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：1. 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。2. 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。3.

8、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：1. 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。2. 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