中心議題：

• LLC 諧振電路的工作原理和特點
• 智能充電器的軟硬件設計
• 智能充電器的性能指標測試

本文闡述半橋LLC 諧振電路的工作原理和特點，并且用MATLAB 對LLC 諧振進行了仿真，分析了其工作區(qū)域。在此基礎上，運用NCP1653 提供PFC 電路，NCP1396（壓控震蕩器）為電路提供保護功能，單片機芯片S3F84K4 通過編程為電路提供智能控制，設計了一款大功率智能充電器。通過測試，該款充電器能很好的實現(xiàn)充電功能。

引 言

充電器與人們的日常生活密切相關，充電器充電性能的好壞與被充電池的使用壽命、充電效率等息息相關。 由于外界溫度變化，電網(wǎng)電壓波動，因而大大降低了充電器充電性能的穩(wěn)定性，這就需要有一種能自我調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，遇到外界的干擾能實時做出回應，保證充電的穩(wěn)定性，不損壞被充電的電池。 智能控制在此能提供一種很好的解決方案。電源行業(yè)已經(jīng)開始在其產(chǎn)品中運用智能控制，通過單片機的編程對過壓、過流情況做出判斷，為電池提供保護。 LLC 諧振變換器在充電器的運用也是越來越多，LLC 諧振變換器的拓撲本身具有一些優(yōu)越的性能，可以實現(xiàn)原邊開關管在全負載下的零電壓軟開關（ZVS：Zero VoltageSwitch），副邊整流二極管電壓應力低，因此高輸出電壓的情況下可以實現(xiàn)較高的效率等。 這使得LLC 諧振變換器特別適合高輸出電壓的應用場合。 今后電源的發(fā)展方向是用單片機來完成所有功能，包括：脈寬調(diào)控、反饋、過壓過流保護等等。

下面介紹的就是一款應比亞迪公司（BYD）的要求，設計出的一種基于單片機的智能充電器。 該充電器對充電過程進行智能控制，系統(tǒng)中的管理電路還具有保護功能，可防止電池的過充和過放對電池造成損壞。

1  LLC 諧振變換器

本充電器設計中要考慮整流濾波、能量轉(zhuǎn)換，電路保護、軟件設計等。 而LLC 諧振變換器是能量轉(zhuǎn)換中最重要的部分，關系到充電器性能的好壞。 下面著重介紹其基本結(jié)構、數(shù)學模型及時序分析。

1. 1  LLC 諧振變換器的基本結(jié)構
圖1 所示為LLC 諧振變換器的原理圖。 串聯(lián)諧振電感Lr 、串聯(lián)諧振電容Cr 和并聯(lián)諧振電感Lm ,構成LLC 諧振網(wǎng)絡， Cr 也起到隔直作用[3 ] . 在變壓器次級，整流二極管直接連接到輸出電容Co上。

圖1  LLC 諧振變換器的原理圖

當發(fā)生諧振時，LC 的本征諧振頻率為：

當Lr , Cr 和Lm發(fā)生諧振時，LLC 本征諧振頻率為：

由式（1） 、（2） 可知f1 > f2 ,當負載RL 變化時，可以調(diào)節(jié)開關（Q1 、Q2 ） 頻率在f1 和f2 間變化，使品質(zhì)因數(shù)達到最大。 利用這種特性，可以方便地實現(xiàn)脈沖頻率模式PFM（ Pul se Frequency Model） ,品質(zhì)因數(shù)表示如下：

LLC 諧振網(wǎng)絡需要兩個磁性元件Lr 和Lm。

然而，考慮到高頻變壓器實際結(jié)構，可以把磁性元件Lr 和Lm 集成在一個變壓器內(nèi)，利用變壓器的漏感作為Lr , 利用變壓器的磁化電感作為Lm , 這樣一來，可以大大減少磁性元件數(shù)目。 在設計時，只要重點設計變壓器的漏感與變壓器磁化電感即可。 因此， 為增加漏感， 需要在變壓器中加入適當?shù)臍庀叮⑶铱刂谱儔浩髟?、副邊的繞線方式可以提高品質(zhì)因素。
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1. 2  LLC 的數(shù)學模型分析
通過上述分析，由圖1 的LLC 諧振變換器的原理圖得其LLC 等效模型如圖2 所示。

圖2 　LLC 原理圖的等效模型圖

電壓傳遞函數(shù)為：

其中：，Q 為品質(zhì)因數(shù)。

利用MA TIAB 對該模型進行仿真，可以初步分析出其工作特性如圖3 所示。 其中f s 為啟動頻率（ Start Frequency） f r 為諧振頻率（ ResonantFrequency）。

圖3  LLC 諧振工作特性。

從圖3 中可以看到，在整個頻率圍內(nèi)，既有降壓的工作區(qū)域（M < 1） ,也有升壓的工作區(qū)域（ M >1） ,此LLC 諧振有著較大的應用范圍。 在輕負載時，工作頻率逐漸升高， 工作在降壓區(qū)域內(nèi)； 而在重負載時， 工作頻率逐漸降低， 工作在升壓區(qū)域內(nèi)。 由圖3 可知， 串聯(lián)諧振的工作區(qū)域應該為f s / f r > 1 ,才能工作在ZVS 的狀態(tài)。 在不同負載下，為獲得ZVS 的工作條件， 只要使之工作在f s / f r > 1的右側(cè)即可。 而LLC 諧振不僅僅局限于f s / f r > 1 的區(qū)域， 在某些負載下可以工作在f s / f r < 1區(qū)域。 同樣可以獲得零電壓轉(zhuǎn)換的工作狀況。 并且與串聯(lián)諧振相比，在不同負載時的頻率變化范圍更小。
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1. 3  LLC 諧振變換器的時序分析
LLC 諧振變換器由兩個主開關管Q1 和Q2 構成，其驅(qū)動信號是占空比固定為0. 5 的互補驅(qū)動信號。 為了保證原邊功率MOS 管的ZVS , 副邊二極管的ZCS（Zero Current Switch） 都可以實現(xiàn)，工作頻率在f 2 < f ≤f 1 時， 其工作波形圖如圖4 所示。 從圖中可以看出LLC 變換器工作在半個周期內(nèi)可以分為三個工作模式。

模式1 （t0 - t1）：兩個開關管（Q1 、Q2 ） 都截止，Q1 的反向二級管導通續(xù)流， Lr 上的電流逐漸減小，變壓器產(chǎn)生感生電流，向負載供電。 反向二極管的導通將Q1兩端的電壓鉗位在零。

模式2 （t1 - t2）：Lr 上的電流在t1 時刻減小到零，Q1 在此時刻導通， Lr 上的電流反向增大， 達到峰值后減小。 Lm 上的電流先減小，然后反向增加。

可以看出，t1 時刻由于Q1 的反向二極管的鉗位作用，Q1 的導通電壓為零。 此階段只有Lr 和Cr 進行諧振。

圖4  工作時序波形圖

模式3 （t2 - t3）：Lm 上的電流在t2 時刻與Lr上的電流相等，此時流過變壓器的電流為零，負載與變壓器被隔離開。Q1 在此時刻關斷，Q2的反向二極管導通續(xù)流。 此階段Lm 也加入到諧振部分， 與Lr 和Cr 串聯(lián)組成諧振回路。

在下半個周期中， 電路的工作與上半個周期剛剛相似，只是方向相反。整個周期的電路工作波形：在上半個周期中，開關管Q1 為零電壓導通， 而Q1 在t3 時刻的關斷電流im 很小； 在下半個周期中，開關管Q2 為零電壓導通，而Q2 在t6 時刻的關斷電流im 很小，所以Q1 、Q2 工作時的開關損耗很小。

2  充電器硬件設計

經(jīng)過上面的分析，設計中采用電流、電壓負反饋的方法來達到恒流、恒壓充電的目的，充電器硬件原理框圖如圖5 所示。

圖5  充電器的硬件原理框圖

交流電經(jīng)過濾波整流后，流向NCP1653，由其提供PFC（Power Factor Correction） 操作，NCP1653是一款連續(xù)導通型（CCM） 的功率因數(shù)校正（ PFC） 升壓式的上升控制電路， 它的外圍元器件數(shù)量很少，有效地減少了升壓電感的體積， 減小了功率MOS管的電流應力，從而降低了成本，且極大地簡化了CCM 型的PFC 的操作，它還集成了高可靠的保護功能。 NCP1396 電路為整個硬件電路提供保護（包括有反饋環(huán)路失效偵測、快速與低速事件輸入，以及可以避免在低輸入電壓下工作的電源電壓過低偵測等） ,NCP1396 的獨特架構包括一個500 kHz 的壓控振蕩器，由于在諧振電路結(jié)構中避開諧振尖峰相當重要，因此為了將轉(zhuǎn)換器安排在正確的工作區(qū)，NCP1396 內(nèi)置了可調(diào)整且精確的最低開關頻率，通過專有高電壓技術支持。 應用S3F84K4 單片機實現(xiàn)智能充電器控制。
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3  軟件設計

為滿足充電要求， 該充電器軟件設計除了完成充放電控制外， 還具有過流保護、過壓保護、過溫保護、短路報警等功能模塊。主程序流程圖如圖6 所示。

圖6  主程序流程圖。

程序開始執(zhí)行后， 首先進行初始化并檢測電池電壓、電流、溫度等信息是否正常。 如正常則進入下一步。 否則報警并關閉電路。 如果電池電壓在充電終止電壓和放電終止電壓之間， 說明電池既可充電也可放電。 此時電路將判斷接上充電機還是接上負載。 以進行相應的充電和放電。 如果兩者都沒有接則循環(huán)檢測過程。 若電池電壓已經(jīng)到達充電終止電壓。 則等待負載的接入進行放電；同樣若電池電壓己經(jīng)達到放電終止電壓，則等待充電器的接入以進行充電。 在整個過程中，該電路將始終實時檢測電池信息，若有異常情況發(fā)生，則立即利用中斷信號終止正在進行的充電或者放電過程，關斷充放電回路，同時進行報警并提示報警原因。

4  測試結(jié)果

本充電器的各項指標如下：

• 輸入電流：50/ 60 Hz。
• AC/ DC 輸出電壓48 :V , AC/ DC 輸出電流：5. 0 A。
• 恒流充電電流：4. 5 A。
• 恒壓充電電壓：45 V （AC）。
• 環(huán)境溫度： - 5~45 ℃。

經(jīng)分析， 按上述設計和分析結(jié)果， 最后選定LLC 的參數(shù)Cr = 0. 043 055μF，Lr = 72. 636 09μH，Lm = 435. 816 5μH。

本智能充電器經(jīng)測試，充電保護措施可靠，充電狀態(tài)準確，充電時間約為6 h ,如果需要進一步縮短充電時間，只需在初始化時設定更大的充電電流即可。 因為采用PWM 控制器，所以，充電效率可以達到92 %以上，最低時在85 %左右。根據(jù)實際需要，要想達到理想的充電效率，對充器件做進一步的精確要求。

5  結(jié) 語

在智能充電器控制系統(tǒng)設計過程中，主要側(cè)重點是保證充電器對充電電池電壓的精確控制，設計中元器件的選型也都是圍繞著這個重點來完成的經(jīng)過實驗電路的實際測試，由電源變壓器、整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路構成AC/ DC 變換電路。 在NCP1653 、NCP1396 與S3F84 K4 的配合控制下可實現(xiàn)很高的系統(tǒng)精度。