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，電網電壓波動，因而大大降低了充電器充電性能的穩定性，這就需要有一種能自我調節的系統，遇到外界的干擾能實時做出回應，保證充電的(de)(de)穩定性，不損壞被充電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)。 智(zhi)能控(kong)制(zhi)在此能提供一種很好的(de)(de)解決(jue)方案。電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)行業已經開始在其產品中運(yun)用(yong)智(zhi)能控(kong)制(zhi)，通過(guo)(guo)單片機(ji)的(de)(de)編程對過(guo)(guo)壓(ya)(ya)、過(guo)(guo)流(liu)情況(kuang)做出(chu)判斷，為電(dian)(dian)(dian)池(chi)提供保護。 LLC 諧(xie)(xie)振變換器(qi)(qi)在充電(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)的(de)(de)運(yun)用(yong)也(ye)是越來(lai)(lai)越多，LLC 諧(xie)(xie)振變換器(qi)(qi)的(de)(de)拓撲(pu)本身(shen)具有一些優越的(de)(de)性能，可以(yi)實現原邊開關管在全負(fu)載下的(de)(de)零電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)軟開關（ ZVS （ Zero VoltageSwitch） ） ，副邊整(zheng)流(liu)二(er)極管電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)應力(li)低(di)，因此高(gao)輸出(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)情況(kuang)下可以(yi)實現較(jiao)高(gao)的(de)(de)效率等(deng)。 這使(shi)得LLC 諧(xie)(xie)振變換器(qi)(qi)特別適合高(gao)輸出(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)應用(yong)場合。 今后電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)發展方向是用(yong)單片機(ji)來(lai)(lai)完成所有功能，包括：脈寬調控(kong)、反饋(kui)、過(guo)(guo)壓(ya)(ya)過(guo)(guo)流(liu)保護等(deng)等(deng)。

　　下面介紹的就是一款應比亞迪公司（B YD） 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(dian)(dian)過程進行(xing)智能(neng)控制，系統中的管理電(dian)(dian)路還具有(you)保護(hu)功(gong)能(neng)，可防止電(dian)(dian)池的過充和過放對電(dian)(dian)池造成(cheng)損壞。

　　1 LLC 諧(xie)振變(bian)換器

　　本充電器設計中要考慮整流濾波、能量轉換，電路保護、軟件設計等。 而LLC 諧振變換器是能量轉換中最重要的部分，關系到充電器性能的好壞(huai)。 下(xia)面著(zhu)重介紹其基本(ben)結(jie)構、數學模型(xing)及時序(xu)分析。

　　1. 1 LLC 諧振變換器的(de)基本(ben)結構

　　圖1 所示為LLC 諧振(zhen)變換器的(de)原理圖。 串(chuan)聯諧振(zhen)電(dian)感Lr 、串(chuan)聯諧振(zhen)電(dian)容(rong)Cr 和并聯諧振(zhen)電(dian)感Lm ，構成LLC 諧振(zhen)網絡(luo)， Cr 也起到(dao)隔直作用［3 ］ 。 在(zai)變壓器次級，整流二極(ji)管直接(jie)連接(jie)到(dao)輸(shu)出電(dian)容(rong)Co上。

　　

　　圖(tu)(tu)1 LLC 諧振變換(huan)器(qi)的(de)原理圖(tu)(tu)

　　當(dang)發生諧振時(shi)，LC 的本征諧振頻率為(wei)：

　　

　　當Lr ， Cr 和Lm發生(sheng)諧振(zhen)時(shi)，LLC 本(ben)征諧振(zhen)頻(pin)率(lv)為：

　　

　　由式（1） 、（2） 可知(zhi)f1 》 f2 ，當負載(zai)RL 變化(hua)時(shi)，可以調(diao)節開關（Q1 、Q2 ） 頻率在f1 和(he)f2 間變化(hua)，使品質因(yin)(yin)數(shu)達到(dao)最(zui)大。 利用這種(zhong)特性，可以方(fang)便地(di)實現脈沖(chong)頻率模式PFM（ Pul se Frequency Model） ，品質因(yin)(yin)數(shu)表示如下：

　　

　　LLC 諧振網(wang)絡需要(yao)兩(liang)個磁性元件Lr 和(he)Lm。

　　然而，考慮到高頻變壓器實際結構，可以把磁性元件Lr 和Lm 集成在一個變壓器內，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的氣隙，并且控制變壓器原、副邊的繞線方式可以提高品質因素。
    1. 2 LLC 的數學(xue)模(mo)型分析

　　通過上述分析，由圖(tu)1 的LLC 諧振(zhen)變換器的原理圖(tu)得(de)其LLC 等效模型如(ru)圖(tu)2 所示(shi)。

　　

　　圖2 　LLC 原理圖的等效模型圖

　　電壓傳遞(di)函(han)數為：

　　

　　其中：

　　

　　Q 為品質因數。

　　利用MA TIAB 對該模型進(jin)行仿(fang)真，可以初(chu)步分析出其(qi)工作特性(xing)如圖3 所示。 其(qi)中(zhong)f s 為啟動頻(pin)率(lv)（ Start Frequency） f r 為諧振頻(pin)率(lv)（ ResonantFrequency）。

　　

　　圖3 LLC 諧振工作特性。

　　從圖(tu)(tu)3 中(zhong)可(ke)以看到(dao)，在(zai)整個頻(pin)率(lv)圍內，既有(you)(you)降壓(ya)的(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)區(qu)域（M 《 1） ，也有(you)(you)升壓(ya)的(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)區(qu)域（ M 》1） ，此LLC 諧(xie)振(zhen)有(you)(you)著較大的(de)應用范(fan)圍。 在(zai)輕負(fu)(fu)載時(shi)，工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)頻(pin)率(lv)逐(zhu)漸(jian)升高， 工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)在(zai)降壓(ya)區(qu)域內； 而在(zai)重(zhong)負(fu)(fu)載時(shi)， 工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)頻(pin)率(lv)逐(zhu)漸(jian)降低， 工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)在(zai)升壓(ya)區(qu)域內。 由(you)圖(tu)(tu)3 可(ke)知， 串聯諧(xie)振(zhen)的(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)區(qu)域應該為(wei)f s / f r 》 1 ，才能(neng)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)在(zai)ZVS 的(de)狀(zhuang)態。 在(zai)不(bu)同負(fu)(fu)載下，為(wei)獲(huo)(huo)得(de)ZVS 的(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)條(tiao)件， 只要使之(zhi)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)在(zai)f s / f r 》 1的(de)右(you)側即可(ke)。 而LLC 諧(xie)振(zhen)不(bu)僅僅局限(xian)于f s / f r 》 1 的(de)區(qu)域， 在(zai)某些負(fu)(fu)載下可(ke)以工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)在(zai)f s / f r 《 1區(qu)域。 同樣(yang)可(ke)以獲(huo)(huo)得(de)零電壓(ya)轉(zhuan)換的(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)狀(zhuang)況。 并(bing)且(qie)與串聯諧(xie)振(zhen)相比，在(zai)不(bu)同負(fu)(fu)載時(shi)的(de)頻(pin)率(lv)變化范(fan)圍更小。

   1. 3 LLC 諧振變換器的時序分析

　　LLC 諧振變(bian)換器(qi)由兩個(ge)主(zhu)開關管Q1 和Q2 構成，其驅動信號(hao)是占空比固定為(wei)0. 5 的互(hu)補驅動信號(hao)。 為(wei)了保證原邊(bian)功率MOS 管的ZVS ， 副(fu)邊(bian)二極(ji)管的ZCS（Zero Current Switch） 都可(ke)以實(shi)現，工(gong)(gong)作(zuo)頻率在f 2 《 f ≤f 1 時， 其工(gong)(gong)作(zuo)波形圖(tu)如圖(tu)4 所示。 從圖(tu)中可(ke)以看出LLC 變(bian)換器(qi)工(gong)(gong)作(zuo)在半個(ge)周期內可(ke)以分為(wei)三個(ge)工(gong)(gong)作(zuo)模式(shi)。

　　模式(shi)1 （t0 - t1）：兩個開關管（Q1 、Q2 ） 都截止，Q1 的(de)反向(xiang)二級管導通續流(liu)， Lr 上的(de)電(dian)流(liu)逐漸減小，變(bian)壓器產生感生電(dian)流(liu)，向(xiang)負(fu)載供(gong)電(dian)。 反向(xiang)二極管的(de)導通將(jiang)Q1兩端的(de)電(dian)壓鉗位在(zai)零。

　　模式2 （t1 - t2）：Lr 上的電流在t1 時刻減(jian)小(xiao)(xiao)到零，Q1 在此(ci)時刻導通， Lr 上的電流反向(xiang)增大(da)， 達到峰值后(hou)(hou)減(jian)小(xiao)(xiao)。 Lm 上的電流先減(jian)小(xiao)(xiao)，然后(hou)(hou)反向(xiang)增加(jia)。

　　可(ke)以看出，t1 時(shi)刻由于Q1 的(de)(de)反向二極管(guan)的(de)(de)鉗位作用，Q1 的(de)(de)導通電壓為零(ling)。 此(ci)階(jie)段只有(you)Lr 和Cr 進(jin)行諧(xie)振(zhen)。

　　

　　圖(tu)4 工作時序波形圖(tu)

　　模式(shi)3 （t2 - t3）：Lm 上的(de)(de)電(dian)流(liu)在(zai)t2 時刻(ke)與Lr上的(de)(de)電(dian)流(liu)相等，此時流(liu)過變壓器(qi)的(de)(de)電(dian)流(liu)為零，負(fu)載與變壓器(qi)被(bei)隔離開。Q1 在(zai)此時刻(ke)關斷，Q2的(de)(de)反(fan)向二極管導通續流(liu)。 此階(jie)段Lm 也加入到諧振部分， 與Lr 和Cr 串聯組成諧振回路。

　　在(zai)下(xia)半(ban)個(ge)周期中(zhong)， 電路(lu)的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)與上半(ban)個(ge)周期剛剛相似，只是(shi)方(fang)向相反。整(zheng)個(ge)周期的(de)(de)電路(lu)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)波(bo)形：在(zai)上半(ban)個(ge)周期中(zhong)，開關管(guan)Q1 為零電壓導通(tong)， 而Q1 在(zai)t3 時(shi)刻(ke)的(de)(de)關斷(duan)電流(liu)im 很(hen)小； 在(zai)下(xia)半(ban)個(ge)周期中(zhong)，開關管(guan)Q2 為零電壓導通(tong)，而Q2 在(zai)t6 時(shi)刻(ke)的(de)(de)關斷(duan)電流(liu)im 很(hen)小，所以Q1 、Q2 工(gong)(gong)(gong)作(zuo)時(shi)的(de)(de)開關損耗(hao)很(hen)小。

　　2 充(chong)電(dian)器硬件(jian)設計

　　經(jing)過(guo)上面的(de)分(fen)析，設(she)計中采用電(dian)(dian)(dian)流、電(dian)(dian)(dian)壓負反饋的(de)方法來(lai)達到恒(heng)流、恒(heng)壓充(chong)電(dian)(dian)(dian)的(de)目的(de)，充(chong)電(dian)(dian)(dian)器硬件原理框圖如(ru)圖5 所示。

　　

　　圖(tu)5 充(chong)電器的(de)硬件原理(li)框(kuang)圖(tu)

　　交流(liu)(liu)電(dian)經過(guo)(guo)濾(lv)波整(zheng)(zheng)流(liu)(liu)后，流(liu)(liu)向NCP1653，由其提(ti)供PFC（Power Factor Correction） 操作(zuo)，NCP1653是一(yi)款連續(xu)導通型（CCM） 的(de)(de)(de)(de)功(gong)率因數(shu)(shu)校(xiao)正(zheng)（ PFC） 升(sheng)壓(ya)(ya)式(shi)的(de)(de)(de)(de)上升(sheng)控(kong)制(zhi)電(dian)路(lu)(lu)， 它(ta)的(de)(de)(de)(de)外圍元器件(jian)數(shu)(shu)量很少(shao)(shao)，有效地(di)減少(shao)(shao)了(le)(le)升(sheng)壓(ya)(ya)電(dian)感的(de)(de)(de)(de)體積， 減小了(le)(le)功(gong)率MOS管的(de)(de)(de)(de)電(dian)流(liu)(liu)應(ying)力(li)，從而降低了(le)(le)成本(ben)，且極大(da)地(di)簡化了(le)(le)CCM 型的(de)(de)(de)(de)PFC 的(de)(de)(de)(de)操作(zuo)，它(ta)還集成了(le)(le)高可靠的(de)(de)(de)(de)保護功(gong)能。 NCP1396 電(dian)路(lu)(lu)為(wei)整(zheng)(zheng)個硬件(jian)電(dian)路(lu)(lu)提(ti)供保護（包(bao)括(kuo)有反饋環路(lu)(lu)失(shi)效偵測(ce)、快速與低速事件(jian)輸入，以(yi)及可以(yi)避免在低輸入電(dian)壓(ya)(ya)下工作(zuo)的(de)(de)(de)(de)電(dian)源電(dian)壓(ya)(ya)過(guo)(guo)低偵測(ce)等） ，NCP1396 的(de)(de)(de)(de)獨特(te)架構(gou)包(bao)括(kuo)一(yi)個500 kHz 的(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)控(kong)振蕩器，由于在諧(xie)振電(dian)路(lu)(lu)結構(gou)中避開諧(xie)振尖(jian)峰相(xiang)當重要，因此(ci)為(wei)了(le)(le)將轉換(huan)器安排(pai)在正(zheng)確的(de)(de)(de)(de)工作(zuo)區，NCP1396 內置(zhi)了(le)(le)可調(diao)整(zheng)(zheng)且精(jing)確的(de)(de)(de)(de)最低開關頻率，通過(guo)(guo)專有高電(dian)壓(ya)(ya)技術支持。 應(ying)用S3F84K4 單(dan)片機實現智能充(chong)電(dian)器控(kong)制(zhi)。

   3 軟件(jian)設計

　　為(wei)滿足充電(dian)要求， 該(gai)充電(dian)器(qi)軟(ruan)件設計除(chu)了完成充放電(dian)控制外， 還具有(you)過(guo)流保(bao)護、過(guo)壓保(bao)護、過(guo)溫保(bao)護、短路報警等功(gong)能模塊。主程序(xu)流程圖如圖6 所(suo)示(shi)。

　　

　　圖6 主(zhu)程(cheng)序流程(cheng)圖。

　　程(cheng)(cheng)序開始執(zhi)行后， 首先進(jin)(jin)行初始化并(bing)檢測(ce)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)、電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)、溫度等(deng)信(xin)息是否正(zheng)常。 如正(zheng)常則(ze)(ze)(ze)進(jin)(jin)入(ru)下一步。 否則(ze)(ze)(ze)報(bao)警并(bing)關閉電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)。 如果(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)在(zai)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)(zhong)止(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)和放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)(zhong)止(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)之間， 說明電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池既可充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)也可放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 此(ci)時(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)將(jiang)判斷接(jie)上充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機還是接(jie)上負載(zai)。 以進(jin)(jin)行相應的(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)和放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 如果(guo)兩者都(dou)沒有接(jie)則(ze)(ze)(ze)循環(huan)檢測(ce)過程(cheng)(cheng)。 若(ruo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)已(yi)經(jing)到達(da)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)(zhong)止(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)。 則(ze)(ze)(ze)等(deng)待(dai)負載(zai)的(de)接(jie)入(ru)進(jin)(jin)行放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)；同(tong)樣若(ruo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)己經(jing)達(da)到放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)(zhong)止(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)，則(ze)(ze)(ze)等(deng)待(dai)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器的(de)接(jie)入(ru)以進(jin)(jin)行充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 在(zai)整個過程(cheng)(cheng)中，該電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)將(jiang)始終(zhong)(zhong)實時(shi)檢測(ce)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池信(xin)息，若(ruo)有異常情(qing)況發(fa)生，則(ze)(ze)(ze)立即(ji)利(li)用中斷信(xin)號(hao)終(zhong)(zhong)止(zhi)正(zheng)在(zai)進(jin)(jin)行的(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)或者放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)過程(cheng)(cheng)，關斷充放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)回路(lu)，同(tong)時(shi)進(jin)(jin)行報(bao)警并(bing)提示報(bao)警原因(yin)。

　　4 測試結果

　　本充電(dian)器的各項指標如下：

　　（1） 輸入電(dian)流：50/ 60 Hz。

　　（2） AC/ DC 輸出電(dian)壓48 ：V ， AC/ DC 輸出電(dian)流：5. 0 A。

　　（3） 恒流充電電流：4. 5 A。

　　（4） 恒壓(ya)充(chong)電電壓(ya)：45 V （AC）。

　　（5） 環境溫(wen)度： - 5~45 ℃。

　　經分(fen)析， 按(an)上(shang)述設計(ji)和分(fen)析結果， 最(zui)后選定LLC 的參數Cr = 0. 043 055μF，Lr = 72. 636 09μH，Lm = 435. 816 5μH。

　　本智能充電器經測試，充電保護措施可靠，充電狀態準確，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(ke)。 因為(wei)采用PWM 控(kong)制(zhi)器，所以，充電效率可(ke)以達(da)到(dao)92 %以上(shang)，最低時在85 %左右。根據(ju)實際(ji)需(xu)要，要想達(da)到(dao)理想的(de)充電效率，對充器件做(zuo)進一步(bu)的(de)精(jing)確要求。

 

 

　　在智能充電器控制系統設計過程中，主要側重點是保證充電器對充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓的(de)精(jing)確控制(zhi)，設計中元器件的(de)選型也都是圍繞著這個(ge)重(zhong)點來完(wan)成的(de)經(jing)過實(shi)驗電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)實(shi)際測試(shi)，由電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源變壓器、整流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)、濾波(bo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)及穩壓電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)構成AC/ DC 變換電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)。 在(zai)NCP1653 、NCP1396 與S3F84 K4 的(de)配合控制(zhi)下可實(shi)現很高的(de)系統(tong)精(jing)度。