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)穩定性(xing)，不損壞被充電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)。 智能(neng)控(kong)制在此(ci)能(neng)提(ti)(ti)供一(yi)種很好的(de)解決方案。電(dian)(dian)(dian)(dian)源行業(ye)已經開(kai)始在其產品中運用智能(neng)控(kong)制，通(tong)過(guo)單(dan)片(pian)機的(de)編(bian)程對過(guo)壓(ya)、過(guo)流(liu)(liu)情況做出判斷，為(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)提(ti)(ti)供保(bao)護。 LLC 諧(xie)(xie)振變換器(qi)在充電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)的(de)運用也(ye)是(shi)越來(lai)越多，LLC 諧(xie)(xie)振變換器(qi)的(de)拓撲本身(shen)具有一(yi)些(xie)優(you)越的(de)性(xing)能(neng)，可(ke)(ke)以(yi)實現原邊開(kai)關(guan)管(guan)在全(quan)負載下(xia)(xia)的(de)零電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)軟開(kai)關(guan)（ ZVS （ Zero VoltageSwitch） ） ，副(fu)邊整流(liu)(liu)二極管(guan)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)應力低(di)，因此(ci)高輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)的(de)情況下(xia)(xia)可(ke)(ke)以(yi)實現較高的(de)效率等(deng)。 這使(shi)得LLC 諧(xie)(xie)振變換器(qi)特別適合高輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)的(de)應用場合。 今后(hou)電(dian)(dian)(dian)(dian)源的(de)發展方向是(shi)用單(dan)片(pian)機來(lai)完成所有功(gong)能(neng)，包(bao)括：脈寬調控(kong)、反(fan)饋、過(guo)壓(ya)過(guo)流(liu)(liu)保(bao)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)過(guo)程(cheng)進(jin)行(xing)智(zhi)能控制，系統中(zhong)的(de)管理電(dian)路還具有保護功能，可防止電(dian)池(chi)的(de)過(guo)充和過(guo)放(fang)對電(dian)池(chi)造成損壞。

　　1 LLC 諧振變(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(hao)壞。 下面著重(zhong)介紹其(qi)基本(ben)結構、數學(xue)模型及時序分析。

　　1. 1 LLC 諧振變換器的基本結(jie)構(gou)

　　圖(tu)1 所示為(wei)LLC 諧(xie)振變換(huan)器(qi)(qi)的原(yuan)理圖(tu)。 串(chuan)聯(lian)諧(xie)振電(dian)感Lr 、串(chuan)聯(lian)諧(xie)振電(dian)容Cr 和并聯(lian)諧(xie)振電(dian)感Lm ，構成(cheng)LLC 諧(xie)振網絡(luo)， Cr 也起到隔直(zhi)作用［3 ］ 。 在變壓器(qi)(qi)次級，整流二極管直(zhi)接連接到輸(shu)出電(dian)容Co上。

　　

　　圖1 LLC 諧(xie)振變(bian)換器的原理圖

　　當(dang)發生諧振(zhen)時，LC 的本征諧振(zhen)頻率為：

　　

　　當Lr ， Cr 和(he)Lm發生諧振時，LLC 本征諧振頻率(lv)為：

　　

　　由式(shi)（1） 、（2） 可知f1 》 f2 ，當(dang)負載RL 變化時，可以調節開關（Q1 、Q2 ） 頻率(lv)在f1 和f2 間變化，使(shi)品質因(yin)數(shu)達到最大。 利用這種(zhong)特(te)性(xing)，可以方便地實現脈沖頻率(lv)模式(shi)PFM（ Pul se Frequency Model） ，品質因(yin)數(shu)表(biao)示如下：

　　

　　LLC 諧(xie)振網(wang)絡需要兩個磁性元件(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(de)數(shu)學(xue)模型(xing)分析(xi)

　　通(tong)過(guo)上述分析，由圖(tu)1 的(de)LLC 諧振變換器的(de)原理(li)圖(tu)得(de)其LLC 等效模型如圖(tu)2 所示。

　　

　　圖(tu)2 　LLC 原理(li)圖(tu)的等效模(mo)型圖(tu)

　　電壓傳(chuan)遞函數為(wei)：

　　

　　其中：

　　

　　Q 為品質(zhi)因數。

　　利用MA TIAB 對(dui)該模型進行仿真(zhen)，可以(yi)初步分析出其工作特性如(ru)圖3 所示。 其中f s 為啟(qi)動頻率(lv)（ Start Frequency） f r 為諧振頻率(lv)（ ResonantFrequency）。

　　

　　圖3 LLC 諧(xie)振工作特性。

　　從圖3 中(zhong)可(ke)(ke)以看到(dao)，在(zai)(zai)整個頻率(lv)圍(wei)內(nei)，既有降(jiang)(jiang)壓(ya)(ya)(ya)的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)區(qu)(qu)(qu)域(yu)（M 《 1） ，也(ye)有升(sheng)壓(ya)(ya)(ya)的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)區(qu)(qu)(qu)域(yu)（ M 》1） ，此LLC 諧振(zhen)(zhen)有著較大(da)的(de)(de)應用范圍(wei)。 在(zai)(zai)輕負(fu)(fu)(fu)(fu)載時，工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)頻率(lv)逐漸升(sheng)高， 工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)在(zai)(zai)降(jiang)(jiang)壓(ya)(ya)(ya)區(qu)(qu)(qu)域(yu)內(nei)； 而在(zai)(zai)重負(fu)(fu)(fu)(fu)載時， 工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)頻率(lv)逐漸降(jiang)(jiang)低(di)， 工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)在(zai)(zai)升(sheng)壓(ya)(ya)(ya)區(qu)(qu)(qu)域(yu)內(nei)。 由圖3 可(ke)(ke)知， 串(chuan)聯諧振(zhen)(zhen)的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)區(qu)(qu)(qu)域(yu)應該(gai)為f s / f r 》 1 ，才能(neng)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)在(zai)(zai)ZVS 的(de)(de)狀態(tai)。 在(zai)(zai)不同負(fu)(fu)(fu)(fu)載下，為獲得ZVS 的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)條件， 只要使之工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)在(zai)(zai)f s / f r 》 1的(de)(de)右側即可(ke)(ke)。 而LLC 諧振(zhen)(zhen)不僅僅局限于(yu)f s / f r 》 1 的(de)(de)區(qu)(qu)(qu)域(yu)， 在(zai)(zai)某些負(fu)(fu)(fu)(fu)載下可(ke)(ke)以工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)在(zai)(zai)f s / f r 《 1區(qu)(qu)(qu)域(yu)。 同樣可(ke)(ke)以獲得零電壓(ya)(ya)(ya)轉換的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)狀況(kuang)。 并且(qie)與(yu)串(chuan)聯諧振(zhen)(zhen)相(xiang)比，在(zai)(zai)不同負(fu)(fu)(fu)(fu)載時的(de)(de)頻率(lv)變化范圍(wei)更小。

   1. 3 LLC 諧振變換器的時序分析

　　LLC 諧(xie)振變換器由(you)兩個(ge)(ge)主開關管(guan)Q1 和Q2 構成(cheng)，其驅動信(xin)號是占空比固定(ding)為(wei)(wei)0. 5 的(de)互補(bu)驅動信(xin)號。 為(wei)(wei)了保證原(yuan)邊功率(lv)MOS 管(guan)的(de)ZVS ， 副(fu)邊二(er)極管(guan)的(de)ZCS（Zero Current Switch） 都(dou)可(ke)以(yi)實現，工作(zuo)頻率(lv)在f 2 《 f ≤f 1 時(shi)， 其工作(zuo)波形圖如圖4 所示(shi)。 從圖中(zhong)可(ke)以(yi)看出LLC 變換器工作(zuo)在半(ban)個(ge)(ge)周期內可(ke)以(yi)分為(wei)(wei)三(san)個(ge)(ge)工作(zuo)模式。

　　模(mo)式1 （t0 - t1）：兩個(ge)開關管(guan)(guan)（Q1 、Q2 ） 都截止，Q1 的(de)反向(xiang)二(er)級管(guan)(guan)導通(tong)續流(liu)， Lr 上的(de)電(dian)(dian)流(liu)逐(zhu)漸減小，變壓器產(chan)生感生電(dian)(dian)流(liu)，向(xiang)負(fu)載(zai)供電(dian)(dian)。 反向(xiang)二(er)極管(guan)(guan)的(de)導通(tong)將Q1兩端的(de)電(dian)(dian)壓鉗位在零(ling)。

　　模式2 （t1 - t2）：Lr 上的電流在(zai)t1 時刻(ke)減小到零，Q1 在(zai)此時刻(ke)導(dao)通， Lr 上的電流反(fan)向增大， 達到峰值后減小。 Lm 上的電流先減小，然后反(fan)向增加。

　　可(ke)以看出，t1 時刻由于Q1 的反(fan)向(xiang)二(er)極管的鉗位作用(yong)，Q1 的導通(tong)電(dian)壓為零。 此(ci)階(jie)段只有(you)Lr 和(he)Cr 進行諧振(zhen)。

　　

　　圖4 工作時序(xu)波形圖

　　模式3 （t2 - t3）：Lm 上的電(dian)(dian)(dian)流在(zai)t2 時(shi)刻(ke)與(yu)(yu)Lr上的電(dian)(dian)(dian)流相(xiang)等(deng)，此(ci)時(shi)流過變(bian)壓(ya)(ya)器的電(dian)(dian)(dian)流為(wei)零，負(fu)載與(yu)(yu)變(bian)壓(ya)(ya)器被(bei)隔離開(kai)。Q1 在(zai)此(ci)時(shi)刻(ke)關斷，Q2的反向(xiang)二極管導通續流。 此(ci)階段Lm 也加入到諧振(zhen)部分， 與(yu)(yu)Lr 和Cr 串(chuan)聯組成諧振(zhen)回路。

　　在下半個(ge)周(zhou)(zhou)期(qi)中(zhong)， 電(dian)路的(de)工(gong)作(zuo)(zuo)與(yu)上半個(ge)周(zhou)(zhou)期(qi)剛剛相似(si)，只是方向相反。整個(ge)周(zhou)(zhou)期(qi)的(de)電(dian)路工(gong)作(zuo)(zuo)波形(xing)：在上半個(ge)周(zhou)(zhou)期(qi)中(zhong)，開關管Q1 為零電(dian)壓(ya)(ya)導通， 而(er)Q1 在t3 時(shi)刻的(de)關斷電(dian)流(liu)im 很(hen)(hen)小(xiao)； 在下半個(ge)周(zhou)(zhou)期(qi)中(zhong)，開關管Q2 為零電(dian)壓(ya)(ya)導通，而(er)Q2 在t6 時(shi)刻的(de)關斷電(dian)流(liu)im 很(hen)(hen)小(xiao)，所以(yi)Q1 、Q2 工(gong)作(zuo)(zuo)時(shi)的(de)開關損(sun)耗很(hen)(hen)小(xiao)。

　　2 充電器(qi)硬件設計

　　經(jing)過上面的(de)分析，設計中(zhong)采用(yong)電流、電壓負反(fan)饋的(de)方法來(lai)達到恒(heng)流、恒(heng)壓充電的(de)目的(de)，充電器硬件原理框圖如圖5 所示。

　　

　　圖5 充電器的(de)硬件原理框圖

　　交流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)經過(guo)濾波整流(liu)(liu)后，流(liu)(liu)向NCP1653，由其提供(gong)PFC（Power Factor Correction） 操(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)，NCP1653是一(yi)款(kuan)連續導通(tong)型（CCM） 的(de)(de)功率因(yin)數校(xiao)正(zheng)（ PFC） 升壓式的(de)(de)上升控(kong)制(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)路(lu)， 它的(de)(de)外圍元器件數量很少(shao)，有效地減少(shao)了(le)(le)(le)升壓電(dian)(dian)(dian)感的(de)(de)體積， 減小了(le)(le)(le)功率MOS管的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)應(ying)(ying)力，從而降低了(le)(le)(le)成本(ben)，且極大地簡化了(le)(le)(le)CCM 型的(de)(de)PFC 的(de)(de)操(cao)作(zuo)(zuo)(zuo)，它還集成了(le)(le)(le)高(gao)可(ke)(ke)靠(kao)的(de)(de)保(bao)護(hu)功能。 NCP1396 電(dian)(dian)(dian)路(lu)為(wei)整個(ge)(ge)硬(ying)件電(dian)(dian)(dian)路(lu)提供(gong)保(bao)護(hu)（包(bao)括有反饋環路(lu)失效偵測、快速(su)(su)與(yu)低速(su)(su)事件輸入，以及可(ke)(ke)以避免(mian)在(zai)低輸入電(dian)(dian)(dian)壓下工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)源電(dian)(dian)(dian)壓過(guo)低偵測等） ，NCP1396 的(de)(de)獨(du)特架構(gou)包(bao)括一(yi)個(ge)(ge)500 kHz 的(de)(de)壓控(kong)振蕩(dang)器，由于在(zai)諧振電(dian)(dian)(dian)路(lu)結構(gou)中(zhong)避開諧振尖峰相(xiang)當重要，因(yin)此為(wei)了(le)(le)(le)將轉換器安排在(zai)正(zheng)確的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)區，NCP1396 內(nei)置了(le)(le)(le)可(ke)(ke)調(diao)整且精(jing)確的(de)(de)最低開關頻率，通(tong)過(guo)專有高(gao)電(dian)(dian)(dian)壓技術支持。 應(ying)(ying)用S3F84K4 單片機實現智能充電(dian)(dian)(dian)器控(kong)制(zhi)(zhi)。

   3 軟件設(she)計

　　為(wei)滿足(zu)充(chong)電要求(qiu)， 該(gai)充(chong)電器軟件設計(ji)除了(le)完成充(chong)放電控制外， 還具有過(guo)流保(bao)護、過(guo)壓(ya)保(bao)護、過(guo)溫保(bao)護、短路報警等(deng)功能(neng)模塊。主(zhu)程序(xu)流程圖如圖6 所示。

　　

　　圖6 主程序流(liu)程圖。

　　程(cheng)序開始執行(xing)后， 首先進(jin)(jin)行(xing)初始化并(bing)檢(jian)測電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)、電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流、溫度(du)等信息(xi)(xi)是否正常。 如(ru)正常則(ze)(ze)進(jin)(jin)入(ru)下一步。 否則(ze)(ze)報警并(bing)關(guan)閉電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)。 如(ru)果電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)在充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)(zhong)止電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)和放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)(zhong)止電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)之間， 說(shuo)明電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池既(ji)可(ke)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)也可(ke)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 此時(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)將判斷(duan)(duan)接上充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機還是接上負載。 以進(jin)(jin)行(xing)相應的(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)和放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 如(ru)果兩者(zhe)都沒(mei)有接則(ze)(ze)循(xun)環檢(jian)測過程(cheng)。 若電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)已經到達充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)(zhong)止電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。 則(ze)(ze)等待(dai)負載的(de)接入(ru)進(jin)(jin)行(xing)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)；同(tong)樣若電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)己經達到放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)(zhong)止電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)，則(ze)(ze)等待(dai)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器的(de)接入(ru)以進(jin)(jin)行(xing)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 在整個過程(cheng)中，該電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)將始終(zhong)(zhong)實(shi)時(shi)檢(jian)測電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池信息(xi)(xi)，若有異常情況發生(sheng)，則(ze)(ze)立即利用中斷(duan)(duan)信號終(zhong)(zhong)止正在進(jin)(jin)行(xing)的(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)或者(zhe)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)過程(cheng)，關(guan)斷(duan)(duan)充(chong)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)回(hui)路(lu)(lu)，同(tong)時(shi)進(jin)(jin)行(xing)報警并(bing)提(ti)示報警原因。

　　4 測試結果

　　本充電器(qi)的各項指標(biao)如(ru)下：

　　（1） 輸入電流：50/ 60 Hz。

　　（2） AC/ DC 輸(shu)出電壓48 ：V ， AC/ DC 輸(shu)出電流：5. 0 A。

　　（3） 恒流充電電流：4. 5 A。

　　（4） 恒壓充電(dian)電(dian)壓：45 V （AC）。

　　（5） 環境(jing)溫度： - 5~45 ℃。

　　經分析， 按(an)上述(shu)設計和(he)分析結果(guo)， 最后選(xuan)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)(ke)。 因為采用PWM 控制器，所以(yi)(yi)，充電效(xiao)率(lv)可(ke)(ke)以(yi)(yi)達到92 %以(yi)(yi)上，最(zui)低時在85 %左右(you)。根據(ju)實(shi)際需要(yao)，要(yao)想達到理想的充電效(xiao)率(lv)，對充器件做進一步的精確要(yao)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)池電(dian)壓的精確控制，設(she)計中元器(qi)件的選(xuan)型也都是圍繞著這個重(zhong)點來完成的經(jing)過實驗電(dian)路的實際測試，由電(dian)源變壓器(qi)、整流電(dian)路、濾(lv)波電(dian)路及穩壓電(dian)路構成AC/ DC 變換(huan)電(dian)路。 在(zai)NCP1653 、NCP1396 與(yu)S3F84 K4 的配合控制下可實現很(hen)高的系(xi)統(tong)精度。