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)(de)穩(wen)定性(xing)，不損壞被充電(dian)(dian)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)池(chi)(chi)。 智(zhi)能(neng)控(kong)制在此能(neng)提供一種很(hen)好的(de)(de)(de)解決方(fang)案。電(dian)(dian)源行業(ye)已(yi)經開(kai)(kai)始(shi)在其產品(pin)中運用(yong)智(zhi)能(neng)控(kong)制，通過(guo)單片(pian)(pian)機的(de)(de)(de)編程對(dui)過(guo)壓、過(guo)流(liu)情況做出(chu)(chu)(chu)判斷(duan)，為電(dian)(dian)池(chi)(chi)提供保(bao)護。 LLC 諧(xie)振變換器在充電(dian)(dian)器的(de)(de)(de)運用(yong)也(ye)是越(yue)來越(yue)多，LLC 諧(xie)振變換器的(de)(de)(de)拓撲本(ben)身具有(you)一些優越(yue)的(de)(de)(de)性(xing)能(neng)，可(ke)以實現(xian)原邊(bian)(bian)開(kai)(kai)關(guan)(guan)管在全負載下的(de)(de)(de)零電(dian)(dian)壓軟開(kai)(kai)關(guan)(guan)（ ZVS （ Zero VoltageSwitch） ） ，副邊(bian)(bian)整流(liu)二極管電(dian)(dian)壓應(ying)力低，因此高(gao)輸出(chu)(chu)(chu)電(dian)(dian)壓的(de)(de)(de)情況下可(ke)以實現(xian)較高(gao)的(de)(de)(de)效率等。 這使得LLC 諧(xie)振變換器特別(bie)適(shi)合高(gao)輸出(chu)(chu)(chu)電(dian)(dian)壓的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)場合。 今(jin)后電(dian)(dian)源的(de)(de)(de)發展(zhan)方(fang)向是用(yong)單片(pian)(pian)機來完(wan)成所有(you)功能(neng)，包括：脈寬調控(kong)、反饋、過(guo)壓過(guo)流(liu)保(bao)護等等。

　　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(dui)充電(dian)過(guo)程進行智能控制，系統中的管理電(dian)路還(huan)具有保護功能，可防(fang)止電(dian)池的過(guo)充和過(guo)放對(dui)電(dian)池造成(cheng)損壞(huai)。

　　1 LLC 諧振(zhen)變換(huan)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(xing)能的好壞。 下(xia)面著重介(jie)紹其(qi)基本結構、數學模型及時序分析(xi)。

　　1. 1 LLC 諧振變(bian)換器的基本結(jie)構

　　圖(tu)(tu)1 所示為LLC 諧振變換器(qi)的原理(li)圖(tu)(tu)。 串(chuan)(chuan)聯諧振電(dian)(dian)感Lr 、串(chuan)(chuan)聯諧振電(dian)(dian)容Cr 和并(bing)聯諧振電(dian)(dian)感Lm ，構成LLC 諧振網絡(luo)， Cr 也起到(dao)隔直作用［3 ］ 。 在(zai)變壓(ya)器(qi)次級，整流二極管直接(jie)連(lian)接(jie)到(dao)輸(shu)出電(dian)(dian)容Co上。

　　

　　圖1 LLC 諧振變換器的原理(li)圖

　　當發生(sheng)諧振時(shi)，LC 的本(ben)征(zheng)諧振頻率為：

　　

　　當(dang)Lr ， Cr 和Lm發(fa)生(sheng)諧振時，LLC 本征諧振頻率(lv)為：

　　

　　由式（1） 、（2） 可知f1 》 f2 ，當負載(zai)RL 變(bian)化(hua)時，可以調節開(kai)關（Q1 、Q2 ） 頻率(lv)(lv)在f1 和(he)f2 間(jian)變(bian)化(hua)，使品質(zhi)因(yin)數(shu)達(da)到最大。 利用(yong)這種特性(xing)，可以方便地(di)實(shi)現脈(mo)沖頻率(lv)(lv)模式PFM（ Pul se Frequency Model） ，品質(zhi)因(yin)數(shu)表示(shi)如下(xia)：

　　

　　LLC 諧振網絡(luo)需要兩個磁性元件(jian)Lr 和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 的數學模型分(fen)析

　　通過上述分析(xi)，由圖(tu)1 的LLC 諧振變換器(qi)的原理圖(tu)得其(qi)LLC 等效模型(xing)如圖(tu)2 所(suo)示(shi)。

　　

　　圖(tu)2 　LLC 原理圖(tu)的(de)等效模型圖(tu)

　　電(dian)壓傳遞函數為：

　　

　　其中：

　　

　　Q 為(wei)品質因數。

　　利用MA TIAB 對(dui)該模型進行仿真，可(ke)以初(chu)步分(fen)析出其工作特性如圖3 所示。 其中f s 為啟動頻率(lv)（ Start Frequency） f r 為諧振頻率(lv)（ ResonantFrequency）。

　　

　　圖3 LLC 諧振(zhen)工作特性(xing)。

　　從圖3 中可(ke)以(yi)看到，在(zai)整(zheng)個頻(pin)率圍內，既有(you)(you)降壓的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)（M 《 1） ，也有(you)(you)升壓的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)（ M 》1） ，此LLC 諧(xie)振有(you)(you)著較大(da)的(de)(de)應用范(fan)圍。 在(zai)輕(qing)負(fu)(fu)載時(shi)，工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)頻(pin)率逐漸升高， 工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)在(zai)降壓區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)內； 而(er)在(zai)重負(fu)(fu)載時(shi)， 工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)頻(pin)率逐漸降低， 工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)在(zai)升壓區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)內。 由圖3 可(ke)知， 串聯(lian)諧(xie)振的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)應該(gai)為f s / f r 》 1 ，才能(neng)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)在(zai)ZVS 的(de)(de)狀態(tai)。 在(zai)不同(tong)負(fu)(fu)載下，為獲得ZVS 的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)條(tiao)件， 只要(yao)使之工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)在(zai)f s / f r 》 1的(de)(de)右側即可(ke)。 而(er)LLC 諧(xie)振不僅僅局限于f s / f r 》 1 的(de)(de)區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)， 在(zai)某些負(fu)(fu)載下可(ke)以(yi)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)在(zai)f s / f r 《 1區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)。 同(tong)樣可(ke)以(yi)獲得零電壓轉換(huan)的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)狀況。 并且與串聯(lian)諧(xie)振相比，在(zai)不同(tong)負(fu)(fu)載時(shi)的(de)(de)頻(pin)率變化范(fan)圍更小。

   1. 3 LLC 諧振變換器的時序分(fen)析

　　LLC 諧振變(bian)換(huan)器由兩個主開關(guan)管(guan)(guan)Q1 和Q2 構成(cheng)，其驅動(dong)信號是占空(kong)比固定為(wei)0. 5 的互補(bu)驅動(dong)信號。 為(wei)了保證(zheng)原邊功率(lv)MOS 管(guan)(guan)的ZVS ， 副邊二極管(guan)(guan)的ZCS（Zero Current Switch） 都可(ke)以實現，工(gong)作頻(pin)率(lv)在f 2 《 f ≤f 1 時， 其工(gong)作波(bo)形圖如(ru)圖4 所示。 從圖中可(ke)以看出LLC 變(bian)換(huan)器工(gong)作在半個周期(qi)內可(ke)以分為(wei)三個工(gong)作模式。

　　模式1 （t0 - t1）：兩個開關管（Q1 、Q2 ） 都(dou)截止(zhi)，Q1 的(de)反(fan)向二級管導通續流， Lr 上的(de)電(dian)流逐(zhu)漸減(jian)小，變(bian)壓器產生(sheng)感生(sheng)電(dian)流，向負載(zai)供電(dian)。 反(fan)向二極(ji)管的(de)導通將Q1兩端(duan)的(de)電(dian)壓鉗位在零。

　　模(mo)式(shi)2 （t1 - t2）：Lr 上(shang)的(de)電(dian)流在(zai)t1 時刻減小到零，Q1 在(zai)此時刻導通， Lr 上(shang)的(de)電(dian)流反(fan)向增(zeng)大， 達到峰(feng)值后減小。 Lm 上(shang)的(de)電(dian)流先減小，然后反(fan)向增(zeng)加。

　　可以看出，t1 時刻由于Q1 的反向二極管的鉗位作(zuo)用，Q1 的導通電(dian)壓為零。 此階段(duan)只有(you)Lr 和Cr 進行(xing)諧振(zhen)。

　　

　　圖(tu)4 工作時序波形(xing)圖(tu)

　　模(mo)式3 （t2 - t3）：Lm 上的電(dian)流在(zai)t2 時刻(ke)與(yu)Lr上的電(dian)流相等，此(ci)時流過變壓(ya)器(qi)的電(dian)流為零，負載與(yu)變壓(ya)器(qi)被隔離(li)開。Q1 在(zai)此(ci)時刻(ke)關斷，Q2的反(fan)向二極管導通續流。 此(ci)階段Lm 也加入到諧(xie)振部分， 與(yu)Lr 和Cr 串聯組成諧(xie)振回(hui)路(lu)。

　　在(zai)下半(ban)(ban)個(ge)(ge)周(zhou)期中， 電路的(de)工(gong)作(zuo)與上半(ban)(ban)個(ge)(ge)周(zhou)期剛剛相(xiang)似，只是(shi)方向相(xiang)反(fan)。整個(ge)(ge)周(zhou)期的(de)電路工(gong)作(zuo)波形：在(zai)上半(ban)(ban)個(ge)(ge)周(zhou)期中，開關管Q1 為零(ling)電壓導通， 而Q1 在(zai)t3 時刻的(de)關斷(duan)電流im 很小(xiao)； 在(zai)下半(ban)(ban)個(ge)(ge)周(zhou)期中，開關管Q2 為零(ling)電壓導通，而Q2 在(zai)t6 時刻的(de)關斷(duan)電流im 很小(xiao)，所以(yi)Q1 、Q2 工(gong)作(zuo)時的(de)開關損耗很小(xiao)。

　　2 充電器硬件設(she)計

　　經過上(shang)面的(de)分析，設計中采(cai)用電流(liu)、電壓負反饋(kui)的(de)方法(fa)來達到恒流(liu)、恒壓充(chong)電的(de)目的(de)，充(chong)電器硬件原理框(kuang)圖(tu)如(ru)圖(tu)5 所示(shi)。

　　

　　圖5 充電器的硬件原理框(kuang)圖

　　交流(liu)電(dian)(dian)(dian)經過濾波整(zheng)流(liu)后，流(liu)向NCP1653，由其提(ti)供PFC（Power Factor Correction） 操作，NCP1653是(shi)一款(kuan)連續導通(tong)型（CCM） 的(de)(de)(de)(de)(de)功(gong)率(lv)因數校正（ PFC） 升(sheng)壓(ya)(ya)式的(de)(de)(de)(de)(de)上(shang)升(sheng)控(kong)制電(dian)(dian)(dian)路(lu)， 它的(de)(de)(de)(de)(de)外圍元(yuan)器(qi)(qi)(qi)件(jian)數量很少，有(you)(you)效地減(jian)(jian)少了(le)升(sheng)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)感(gan)的(de)(de)(de)(de)(de)體(ti)積， 減(jian)(jian)小了(le)功(gong)率(lv)MOS管的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)應(ying)(ying)力，從而降(jiang)低(di)了(le)成本，且極大(da)地簡化(hua)了(le)CCM 型的(de)(de)(de)(de)(de)PFC 的(de)(de)(de)(de)(de)操作，它還集(ji)成了(le)高可靠(kao)的(de)(de)(de)(de)(de)保護功(gong)能。 NCP1396 電(dian)(dian)(dian)路(lu)為整(zheng)個硬件(jian)電(dian)(dian)(dian)路(lu)提(ti)供保護（包(bao)括(kuo)有(you)(you)反饋環路(lu)失效偵測、快(kuai)速與低(di)速事件(jian)輸入，以(yi)及可以(yi)避(bi)免在(zai)(zai)低(di)輸入電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)下工作的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)源電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)過低(di)偵測等） ，NCP1396 的(de)(de)(de)(de)(de)獨(du)特架構包(bao)括(kuo)一個500 kHz 的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)控(kong)振蕩器(qi)(qi)(qi)，由于在(zai)(zai)諧振電(dian)(dian)(dian)路(lu)結構中(zhong)避(bi)開諧振尖峰相(xiang)當重要(yao)，因此為了(le)將轉換器(qi)(qi)(qi)安排(pai)在(zai)(zai)正確(que)的(de)(de)(de)(de)(de)工作區，NCP1396 內置(zhi)了(le)可調整(zheng)且精確(que)的(de)(de)(de)(de)(de)最低(di)開關頻率(lv)，通(tong)過專有(you)(you)高電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)技術(shu)支持。 應(ying)(ying)用S3F84K4 單片機實現智能充電(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)(qi)控(kong)制。

   3 軟(ruan)件設計(ji)

　　為滿足充電要求， 該充電器軟(ruan)件設計除了完成充放電控制外， 還具有過(guo)流(liu)保(bao)護、過(guo)壓保(bao)護、過(guo)溫保(bao)護、短路報(bao)警等功能模塊。主(zhu)程序(xu)流(liu)程圖(tu)如圖(tu)6 所示(shi)。

　　

　　圖6 主程(cheng)序流程(cheng)圖。

　　程序開始(shi)執行(xing)后， 首先進(jin)(jin)(jin)行(xing)初始(shi)化(hua)并(bing)檢(jian)測電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)、電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)、溫度等信(xin)息(xi)是否(fou)正(zheng)常。 如(ru)正(zheng)常則(ze)進(jin)(jin)(jin)入下一步。 否(fou)則(ze)報(bao)警(jing)并(bing)關(guan)閉電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)。 如(ru)果電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)在充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終止(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)和(he)放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終止(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)之間(jian)， 說明電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)既可充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)也可放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 此時(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)將(jiang)判斷接(jie)上(shang)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)還是接(jie)上(shang)負(fu)載。 以(yi)進(jin)(jin)(jin)行(xing)相應(ying)的(de)(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)和(he)放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 如(ru)果兩(liang)者都沒有接(jie)則(ze)循環檢(jian)測過(guo)程。 若(ruo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)已經到達充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終止(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。 則(ze)等待負(fu)載的(de)(de)接(jie)入進(jin)(jin)(jin)行(xing)放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)；同樣若(ruo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)己(ji)經達到放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終止(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)，則(ze)等待充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器的(de)(de)接(jie)入以(yi)進(jin)(jin)(jin)行(xing)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 在整(zheng)個(ge)過(guo)程中，該(gai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)將(jiang)始(shi)終實時(shi)檢(jian)測電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)信(xin)息(xi)，若(ruo)有異常情況發(fa)生(sheng)，則(ze)立即利用(yong)中斷信(xin)號(hao)終止(zhi)(zhi)正(zheng)在進(jin)(jin)(jin)行(xing)的(de)(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)或者放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)過(guo)程，關(guan)斷充放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)回路(lu)，同時(shi)進(jin)(jin)(jin)行(xing)報(bao)警(jing)并(bing)提示(shi)報(bao)警(jing)原因。

　　4 測試結果

　　本充電器的各(ge)項指標如下：

　　（1） 輸入電(dian)流：50/ 60 Hz。

　　（2） AC/ DC 輸出電壓(ya)48 ：V ， AC/ DC 輸出電流(liu)：5. 0 A。

　　（3） 恒流(liu)充電(dian)電(dian)流(liu)：4. 5 A。

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

　　（5） 環境溫度： - 5~45 ℃。

　　經分析， 按上述設計和分析結(jie)果， 最后選定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 控制器，所以，充(chong)電效率可(ke)以達(da)到92 %以上(shang)，最低時在85 %左右。根據實際需要，要想(xiang)達(da)到理想(xiang)的(de)充(chong)電效率，對充(chong)器件做(zuo)進(jin)一(yi)步的(de)精確要求。

 

 

　　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(dui)充電(dian)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)(ya)的(de)精確控制(zhi)，設(she)計中元器件的(de)選(xuan)型也(ye)都是圍繞(rao)著這個重點(dian)來(lai)完成的(de)經過實驗電(dian)路(lu)的(de)實際(ji)測試，由電(dian)源變壓(ya)(ya)器、整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)、濾(lv)波電(dian)路(lu)及穩(wen)壓(ya)(ya)電(dian)路(lu)構成AC/ DC 變換電(dian)路(lu)。 在(zai)NCP1653 、NCP1396 與S3F84 K4 的(de)配合(he)控制(zhi)下(xia)可實現很高(gao)的(de)系統(tong)精度(du)。