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(xing)，不損壞被充電(dian)(dian)的(de)(de)電(dian)(dian)池(chi)。 智能(neng)(neng)控制(zhi)在(zai)(zai)此能(neng)(neng)提(ti)供一(yi)種很好的(de)(de)解決方(fang)案。電(dian)(dian)源(yuan)行(xing)業(ye)已(yi)經開(kai)始在(zai)(zai)其產品(pin)中運用智能(neng)(neng)控制(zhi)，通過單片機的(de)(de)編程對過壓(ya)、過流(liu)情(qing)況做(zuo)出判斷，為電(dian)(dian)池(chi)提(ti)供保護。 LLC 諧振變換器(qi)在(zai)(zai)充電(dian)(dian)器(qi)的(de)(de)運用也是越來(lai)越多，LLC 諧振變換器(qi)的(de)(de)拓(tuo)撲本身具有一(yi)些優越的(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)，可以實現(xian)原邊開(kai)關管(guan)在(zai)(zai)全負載下的(de)(de)零電(dian)(dian)壓(ya)軟開(kai)關（ ZVS （ Zero VoltageSwitch） ） ，副邊整(zheng)流(liu)二(er)極管(guan)電(dian)(dian)壓(ya)應(ying)力低，因此高輸(shu)出電(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)情(qing)況下可以實現(xian)較高的(de)(de)效率等。 這使得(de)LLC 諧振變換器(qi)特(te)別(bie)適(shi)合高輸(shu)出電(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)應(ying)用場合。 今后電(dian)(dian)源(yuan)的(de)(de)發(fa)展方(fang)向是用單片機來(lai)完(wan)成所有功(gong)能(neng)(neng)，包括：脈寬調控、反饋、過壓(ya)過流(liu)保護等等。

　　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。 該充電器對充電(dian)過(guo)程進行智能控制(zhi)，系統中的管理電(dian)路還(huan)具(ju)有保(bao)護(hu)功(gong)能，可防(fang)止電(dian)池(chi)的過(guo)充和過(guo)放對電(dian)池(chi)造成損壞。

　　1 LLC 諧振(zhen)變換器

　　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(neng)的好壞。 下(xia)面著(zhu)重介紹其(qi)基本結構、數學模型及時序分析。

　　1. 1 LLC 諧振變換器的基(ji)本結構

　　圖1 所示(shi)為LLC 諧(xie)振變換器的原理圖。 串聯諧(xie)振電(dian)感Lr 、串聯諧(xie)振電(dian)容(rong)(rong)Cr 和并聯諧(xie)振電(dian)感Lm ，構(gou)成LLC 諧(xie)振網(wang)絡， Cr 也起(qi)到(dao)隔直作用［3 ］ 。 在變壓(ya)器次級(ji)，整流二(er)極管直接(jie)(jie)連接(jie)(jie)到(dao)輸出電(dian)容(rong)(rong)Co上。

　　

　　圖1 LLC 諧振變換器的(de)原理圖

　　當發生諧振時，LC 的本征諧振頻(pin)率為：

　　

　　當Lr ， Cr 和Lm發生(sheng)諧(xie)振(zhen)時，LLC 本(ben)征諧(xie)振(zhen)頻率為(wei)：

　　

　　由(you)式（1） 、（2） 可知(zhi)f1 》 f2 ，當負載RL 變化時，可以調節開關(guan)（Q1 、Q2 ） 頻(pin)率在f1 和f2 間(jian)變化，使(shi)品質(zhi)因數(shu)達到最大。 利用這種(zhong)特性，可以方便地(di)實現脈沖頻(pin)率模式PFM（ Pul se Frequency Model） ，品質(zhi)因數(shu)表示如下：

　　

　　LLC 諧振網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)數學模(mo)型分析

　　通過上述分析(xi)，由圖1 的(de)LLC 諧振變換(huan)器的(de)原(yuan)理(li)圖得其LLC 等(deng)效模型如圖2 所示。

　　

　　圖2 　LLC 原(yuan)理(li)圖的等(deng)效模(mo)型圖

　　電壓傳遞函數為：

　　

　　其中：

　　

　　Q 為(wei)品質因(yin)數。

　　利用MA TIAB 對該(gai)模型(xing)進(jin)行仿真，可以(yi)初步分析出其(qi)工作(zuo)特性如圖(tu)3 所示。 其(qi)中f s 為(wei)(wei)啟動頻(pin)率（ Start Frequency） f r 為(wei)(wei)諧振頻(pin)率（ ResonantFrequency）。

　　

　　圖3 LLC 諧振工作(zuo)特性(xing)。

　　從圖3 中(zhong)可(ke)以看到，在整個頻率圍內，既有降(jiang)壓(ya)(ya)的(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)區域(yu)(yu)（M 《 1） ，也有升壓(ya)(ya)的(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)區域(yu)(yu)（ M 》1） ，此(ci)LLC 諧(xie)(xie)振有著較大的(de)應用范圍。 在輕(qing)負載時，工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)頻率逐漸升高， 工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)在降(jiang)壓(ya)(ya)區域(yu)(yu)內； 而在重負載時， 工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)頻率逐漸降(jiang)低， 工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)在升壓(ya)(ya)區域(yu)(yu)內。 由圖3 可(ke)知， 串(chuan)聯(lian)諧(xie)(xie)振的(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)區域(yu)(yu)應該(gai)為(wei)f s / f r 》 1 ，才能工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)在ZVS 的(de)狀(zhuang)態。 在不同(tong)負載下，為(wei)獲得(de)ZVS 的(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)條件， 只要使(shi)之工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)在f s / f r 》 1的(de)右側即可(ke)。 而LLC 諧(xie)(xie)振不僅(jin)僅(jin)局(ju)限于f s / f r 》 1 的(de)區域(yu)(yu)， 在某(mou)些(xie)負載下可(ke)以工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)在f s / f r 《 1區域(yu)(yu)。 同(tong)樣可(ke)以獲得(de)零電(dian)壓(ya)(ya)轉換(huan)的(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)狀(zhuang)況(kuang)。 并且與串(chuan)聯(lian)諧(xie)(xie)振相比(bi)，在不同(tong)負載時的(de)頻率變化范圍更小。

   1. 3 LLC 諧振(zhen)變換(huan)器(qi)的時序分析

　　LLC 諧振變(bian)換(huan)(huan)器由兩個主開(kai)關管Q1 和(he)Q2 構成，其驅動信號是占空比固定為0. 5 的(de)互補驅動信號。 為了保證原邊功率(lv)(lv)MOS 管的(de)ZVS ， 副邊二(er)極管的(de)ZCS（Zero Current Switch） 都可以實(shi)現，工(gong)(gong)(gong)作(zuo)頻率(lv)(lv)在(zai)f 2 《 f ≤f 1 時， 其工(gong)(gong)(gong)作(zuo)波形圖(tu)如圖(tu)4 所示。 從(cong)圖(tu)中可以看出LLC 變(bian)換(huan)(huan)器工(gong)(gong)(gong)作(zuo)在(zai)半(ban)個周期內可以分(fen)為三個工(gong)(gong)(gong)作(zuo)模式。

　　模(mo)式1 （t0 - t1）：兩(liang)(liang)個(ge)開關(guan)管(guan)（Q1 、Q2 ） 都截(jie)止，Q1 的(de)反向二(er)級管(guan)導通續(xu)流， Lr 上(shang)的(de)電(dian)流逐漸減(jian)小，變壓(ya)器產生感生電(dian)流，向負載供電(dian)。 反向二(er)極(ji)管(guan)的(de)導通將(jiang)Q1兩(liang)(liang)端的(de)電(dian)壓(ya)鉗位在零。

　　模(mo)式2 （t1 - t2）：Lr 上的(de)電(dian)流在(zai)t1 時刻減(jian)小到零，Q1 在(zai)此時刻導通， Lr 上的(de)電(dian)流反(fan)向增大， 達(da)到峰(feng)值后(hou)減(jian)小。 Lm 上的(de)電(dian)流先減(jian)小，然后(hou)反(fan)向增加。

　　可以看出，t1 時刻由于Q1 的(de)反向二極管的(de)鉗位作用，Q1 的(de)導通(tong)電壓(ya)為零。 此(ci)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(liu)(liu)在(zai)t2 時刻(ke)(ke)與(yu)Lr上的電流(liu)(liu)相等，此(ci)時流(liu)(liu)過變(bian)(bian)壓器的電流(liu)(liu)為(wei)零，負(fu)載與(yu)變(bian)(bian)壓器被隔離開。Q1 在(zai)此(ci)時刻(ke)(ke)關斷，Q2的反向二極管導通續流(liu)(liu)。 此(ci)階段Lm 也(ye)加入到(dao)諧振部分， 與(yu)Lr 和Cr 串聯組(zu)成諧振回(hui)路。

　　在下半(ban)個(ge)(ge)周(zhou)期中， 電(dian)路的(de)(de)工(gong)作(zuo)(zuo)與上半(ban)個(ge)(ge)周(zhou)期剛(gang)剛(gang)相(xiang)(xiang)似，只是方向相(xiang)(xiang)反。整個(ge)(ge)周(zhou)期的(de)(de)電(dian)路工(gong)作(zuo)(zuo)波形：在上半(ban)個(ge)(ge)周(zhou)期中，開(kai)關(guan)(guan)管Q1 為零(ling)電(dian)壓導通， 而Q1 在t3 時(shi)刻(ke)的(de)(de)關(guan)(guan)斷電(dian)流im 很(hen)小； 在下半(ban)個(ge)(ge)周(zhou)期中，開(kai)關(guan)(guan)管Q2 為零(ling)電(dian)壓導通，而Q2 在t6 時(shi)刻(ke)的(de)(de)關(guan)(guan)斷電(dian)流im 很(hen)小，所以Q1 、Q2 工(gong)作(zuo)(zuo)時(shi)的(de)(de)開(kai)關(guan)(guan)損耗(hao)很(hen)小。

　　2 充電器硬件設計

　　經過上面的(de)分析，設計中采(cai)用電(dian)流(liu)、電(dian)壓(ya)負反饋的(de)方法來達到恒(heng)流(liu)、恒(heng)壓(ya)充電(dian)的(de)目(mu)的(de)，充電(dian)器硬(ying)件原理框圖(tu)如圖(tu)5 所示(shi)。

　　

　　圖5 充電(dian)器的硬件(jian)原理(li)框(kuang)圖

　　交流電(dian)經過濾波整(zheng)流后，流向NCP1653，由(you)其提供PFC（Power Factor Correction） 操作，NCP1653是一款連(lian)續導(dao)通型(xing)（CCM） 的(de)(de)功率(lv)因(yin)(yin)數校正（ PFC） 升(sheng)壓式的(de)(de)上升(sheng)控制電(dian)路， 它的(de)(de)外(wai)圍元(yuan)器(qi)件(jian)數量很少，有效(xiao)地(di)減(jian)(jian)少了升(sheng)壓電(dian)感(gan)的(de)(de)體(ti)積， 減(jian)(jian)小(xiao)了功率(lv)MOS管(guan)的(de)(de)電(dian)流應(ying)力(li)，從而降低(di)了成(cheng)本，且極大地(di)簡化了CCM 型(xing)的(de)(de)PFC 的(de)(de)操作，它還集(ji)成(cheng)了高可靠的(de)(de)保護功能。 NCP1396 電(dian)路為整(zheng)個硬件(jian)電(dian)路提供保護（包(bao)括有反饋環(huan)路失效(xiao)偵(zhen)測、快(kuai)速(su)與低(di)速(su)事件(jian)輸入(ru)，以(yi)及(ji)可以(yi)避(bi)(bi)免在(zai)低(di)輸入(ru)電(dian)壓下工(gong)作的(de)(de)電(dian)源電(dian)壓過低(di)偵(zhen)測等） ，NCP1396 的(de)(de)獨特架構包(bao)括一個500 kHz 的(de)(de)壓控振(zhen)蕩器(qi)，由(you)于(yu)在(zai)諧振(zhen)電(dian)路結構中避(bi)(bi)開諧振(zhen)尖(jian)峰(feng)相(xiang)當重要，因(yin)(yin)此為了將轉換(huan)器(qi)安(an)排(pai)在(zai)正確的(de)(de)工(gong)作區，NCP1396 內置(zhi)了可調整(zheng)且精確的(de)(de)最低(di)開關頻率(lv)，通過專有高電(dian)壓技術支持。 應(ying)用(yong)S3F84K4 單片機實現智能充(chong)電(dian)器(qi)控制。

   3 軟(ruan)件設計

　　為滿足充(chong)電(dian)要(yao)求， 該(gai)充(chong)電(dian)器軟件設計除了完成(cheng)充(chong)放電(dian)控制外， 還具(ju)有過流保(bao)護(hu)、過壓保(bao)護(hu)、過溫保(bao)護(hu)、短路報(bao)警等功能模塊。主程序流程圖如(ru)圖6 所示。

　　

　　圖6 主程(cheng)序(xu)流程(cheng)圖。

　　程序開始(shi)執行(xing)(xing)后， 首先(xian)進(jin)行(xing)(xing)初始(shi)化并(bing)檢測電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)、電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流、溫度等信息是否正(zheng)常。 如正(zheng)常則進(jin)入(ru)下一步。 否則報警(jing)(jing)并(bing)關閉電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路。 如果(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)在充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)止電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)和(he)放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)止電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)之間， 說明電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)既(ji)可充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)也可放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 此時(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路將(jiang)判斷(duan)(duan)接(jie)上(shang)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)還是接(jie)上(shang)負載。 以進(jin)行(xing)(xing)相應的充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)和(he)放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 如果(guo)兩者(zhe)都沒(mei)有接(jie)則循環檢測過(guo)程。 若(ruo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)已經(jing)到達(da)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)止電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)。 則等待(dai)負載的接(jie)入(ru)進(jin)行(xing)(xing)放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)；同樣若(ruo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)己經(jing)達(da)到放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)止電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)，則等待(dai)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器的接(jie)入(ru)以進(jin)行(xing)(xing)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 在整個過(guo)程中，該電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路將(jiang)始(shi)終(zhong)實(shi)時(shi)檢測電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)信息，若(ruo)有異常情況(kuang)發生，則立即利用中斷(duan)(duan)信號終(zhong)止正(zheng)在進(jin)行(xing)(xing)的充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)或者(zhe)放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)過(guo)程，關斷(duan)(duan)充(chong)(chong)(chong)放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)回路，同時(shi)進(jin)行(xing)(xing)報警(jing)(jing)并(bing)提示(shi)報警(jing)(jing)原因。

　　4 測試結果

　　本充電器的各項指標(biao)如下：

　　（1） 輸入電(dian)流：50/ 60 Hz。

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

　　（3） 恒流(liu)充電電流(liu)：4. 5 A。

　　（4） 恒壓(ya)充電(dian)電(dian)壓(ya)：45 V （AC）。

　　（5） 環境溫度： - 5~45 ℃。

　　經分析(xi)， 按上述(shu)設計(ji)和分析(xi)結果， 最(zui)后(hou)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。 因為(wei)采用PWM 控制器，所(suo)以，充(chong)電(dian)效(xiao)率可以達到92 %以上，最低時在85 %左右。根(gen)據實際需要(yao)，要(yao)想(xiang)(xiang)達到理想(xiang)(xiang)的(de)充(chong)電(dian)效(xiao)率，對(dui)充(chong)器件做進一步的(de)精(jing)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充電(dian)(dian)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓的(de)(de)(de)精確控制，設(she)計中元器件(jian)的(de)(de)(de)選型也都是圍繞著這個重點(dian)來(lai)完成的(de)(de)(de)經過實(shi)驗(yan)電(dian)(dian)路的(de)(de)(de)實(shi)際(ji)測試，由電(dian)(dian)源變壓器、整流(liu)電(dian)(dian)路、濾波電(dian)(dian)路及穩壓電(dian)(dian)路構成AC/ DC 變換電(dian)(dian)路。 在NCP1653 、NCP1396 與S3F84 K4 的(de)(de)(de)配合控制下可實(shi)現很(hen)高(gao)的(de)(de)(de)系(xi)統精度。