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(bei)充電(dian)(dian)的(de)(de)電(dian)(dian)池。 智(zhi)能(neng)控(kong)制(zhi)在(zai)(zai)此能(neng)提供一(yi)種(zhong)很好的(de)(de)解決方(fang)案。電(dian)(dian)源(yuan)行業已經開始在(zai)(zai)其(qi)產品中運用智(zhi)能(neng)控(kong)制(zhi)，通過單(dan)片機的(de)(de)編程對過壓(ya)、過流情況做出判斷，為(wei)電(dian)(dian)池提供保護(hu)。 LLC 諧(xie)振(zhen)變換器(qi)在(zai)(zai)充電(dian)(dian)器(qi)的(de)(de)運用也是(shi)(shi)越來越多，LLC 諧(xie)振(zhen)變換器(qi)的(de)(de)拓撲(pu)本身具有(you)一(yi)些優(you)越的(de)(de)性能(neng)，可(ke)以實現原邊開關管(guan)在(zai)(zai)全負載下的(de)(de)零電(dian)(dian)壓(ya)軟開關（ ZVS （ Zero VoltageSwitch） ） ，副(fu)邊整流二極管(guan)電(dian)(dian)壓(ya)應力低，因此高(gao)輸出電(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)情況下可(ke)以實現較(jiao)高(gao)的(de)(de)效率等。 這使(shi)得LLC 諧(xie)振(zhen)變換器(qi)特別適合高(gao)輸出電(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)應用場合。 今后電(dian)(dian)源(yuan)的(de)(de)發展方(fang)向是(shi)(shi)用單(dan)片機來完成(cheng)所有(you)功能(neng)，包括(kuo)：脈寬調(diao)控(kong)、反饋(kui)、過壓(ya)過流保護(hu)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(chong)電過(guo)(guo)程進行智能(neng)控制，系統中(zhong)的管理電路還具有保護功能(neng)，可(ke)防止電池(chi)的過(guo)(guo)充(chong)和過(guo)(guo)放對(dui)電池(chi)造成損壞(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(de)好壞。 下面著(zhu)重介紹其基本結構、數學模型及時序分(fen)析(xi)。

　　1. 1 LLC 諧振變換(huan)器的基本結構

　　圖(tu)1 所(suo)示為LLC 諧(xie)(xie)(xie)(xie)振(zhen)變(bian)換(huan)器的(de)原理(li)圖(tu)。 串聯諧(xie)(xie)(xie)(xie)振(zhen)電(dian)感(gan)Lr 、串聯諧(xie)(xie)(xie)(xie)振(zhen)電(dian)容Cr 和并(bing)聯諧(xie)(xie)(xie)(xie)振(zhen)電(dian)感(gan)Lm ，構成(cheng)LLC 諧(xie)(xie)(xie)(xie)振(zhen)網絡， Cr 也(ye)起到隔直(zhi)(zhi)作用［3 ］ 。 在變(bian)壓器次(ci)級，整流二(er)極管直(zhi)(zhi)接連接到輸(shu)出電(dian)容Co上。

　　

　　圖1 LLC 諧(xie)振變換器的原理圖

　　當發(fa)生諧(xie)振(zhen)(zhen)時(shi)，LC 的(de)本(ben)征諧(xie)振(zhen)(zhen)頻率為：

　　

　　當Lr ， Cr 和Lm發生諧振時，LLC 本征諧振頻率為：

　　

　　由式（1） 、（2） 可知f1 》 f2 ，當(dang)負載RL 變化(hua)(hua)時，可以調節開關(guan)（Q1 、Q2 ） 頻(pin)率在f1 和f2 間變化(hua)(hua)，使品(pin)(pin)質因數達到最大。 利用這種特性，可以方便地實現脈沖頻(pin)率模式PFM（ Pul se Frequency Model） ，品(pin)(pin)質因數表示如下(xia)：

　　

　　LLC 諧振網絡需(xu)要(yao)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(xue)模型分析

　　通過上述分析，由(you)圖(tu)1 的LLC 諧振變換器的原理(li)圖(tu)得其LLC 等效(xiao)模型如(ru)圖(tu)2 所示(shi)。

　　

　　圖2 　LLC 原理圖的等效模型圖

　　電壓傳遞函數為：

　　

　　其中：

　　

　　Q 為品質因數。

　　利(li)用(yong)MA TIAB 對該模型(xing)進(jin)行仿真，可以(yi)初步分析出其(qi)工作(zuo)特性如(ru)圖3 所示。 其(qi)中f s 為啟動頻(pin)率（ Start Frequency） f r 為諧振(zhen)頻(pin)率（ ResonantFrequency）。

　　

　　圖3 LLC 諧振(zhen)工作(zuo)特性。

　　從圖(tu)3 中可以看到，在(zai)(zai)(zai)整個(ge)頻率(lv)(lv)(lv)圍(wei)內，既有(you)降(jiang)(jiang)壓的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)區(qu)(qu)域(yu)（M 《 1） ，也有(you)升(sheng)壓的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)區(qu)(qu)域(yu)（ M 》1） ，此LLC 諧(xie)(xie)(xie)振有(you)著較(jiao)大的(de)(de)應(ying)用(yong)范圍(wei)。 在(zai)(zai)(zai)輕負(fu)(fu)(fu)載(zai)(zai)時(shi)，工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)頻率(lv)(lv)(lv)逐漸升(sheng)高， 工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)在(zai)(zai)(zai)降(jiang)(jiang)壓區(qu)(qu)域(yu)內； 而在(zai)(zai)(zai)重負(fu)(fu)(fu)載(zai)(zai)時(shi)， 工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)頻率(lv)(lv)(lv)逐漸降(jiang)(jiang)低， 工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)在(zai)(zai)(zai)升(sheng)壓區(qu)(qu)域(yu)內。 由圖(tu)3 可知， 串聯(lian)諧(xie)(xie)(xie)振的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)區(qu)(qu)域(yu)應(ying)該為(wei)f s / f r 》 1 ，才能工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)在(zai)(zai)(zai)ZVS 的(de)(de)狀(zhuang)態(tai)。 在(zai)(zai)(zai)不(bu)同(tong)負(fu)(fu)(fu)載(zai)(zai)下(xia)，為(wei)獲(huo)得(de)(de)ZVS 的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)條件， 只要使(shi)之(zhi)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)在(zai)(zai)(zai)f s / f r 》 1的(de)(de)右(you)側即可。 而LLC 諧(xie)(xie)(xie)振不(bu)僅(jin)僅(jin)局限于(yu)f s / f r 》 1 的(de)(de)區(qu)(qu)域(yu)， 在(zai)(zai)(zai)某些負(fu)(fu)(fu)載(zai)(zai)下(xia)可以工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)在(zai)(zai)(zai)f s / f r 《 1區(qu)(qu)域(yu)。 同(tong)樣(yang)可以獲(huo)得(de)(de)零電壓轉換(huan)的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)狀(zhuang)況。 并且與串聯(lian)諧(xie)(xie)(xie)振相比，在(zai)(zai)(zai)不(bu)同(tong)負(fu)(fu)(fu)載(zai)(zai)時(shi)的(de)(de)頻率(lv)(lv)(lv)變化(hua)范圍(wei)更小。

   1. 3 LLC 諧振變換器的時序分析(xi)

　　LLC 諧振變(bian)換(huan)器(qi)由兩個(ge)(ge)主開關(guan)管(guan)Q1 和Q2 構成，其驅(qu)動(dong)信(xin)號是占空(kong)比固定為0. 5 的互補(bu)驅(qu)動(dong)信(xin)號。 為了保(bao)證原邊功率(lv)MOS 管(guan)的ZVS ， 副邊二極管(guan)的ZCS（Zero Current Switch） 都(dou)可(ke)以實現(xian)，工(gong)作(zuo)頻率(lv)在(zai)f 2 《 f ≤f 1 時， 其工(gong)作(zuo)波形(xing)圖如圖4 所(suo)示。 從(cong)圖中可(ke)以看出LLC 變(bian)換(huan)器(qi)工(gong)作(zuo)在(zai)半個(ge)(ge)周期內(nei)可(ke)以分為三個(ge)(ge)工(gong)作(zuo)模式。

　　模式1 （t0 - t1）：兩個開(kai)關管(guan)（Q1 、Q2 ） 都截止，Q1 的反向(xiang)二級管(guan)導通(tong)續(xu)流(liu)， Lr 上的電流(liu)逐漸減小，變壓器產生感生電流(liu)，向(xiang)負載供電。 反向(xiang)二極(ji)管(guan)的導通(tong)將Q1兩端的電壓鉗位在零。

　　模式2 （t1 - t2）：Lr 上的電(dian)流在(zai)t1 時(shi)刻減小(xiao)到(dao)零，Q1 在(zai)此(ci)時(shi)刻導通(tong)， Lr 上的電(dian)流反向增大， 達(da)到(dao)峰(feng)值后(hou)減小(xiao)。 Lm 上的電(dian)流先減小(xiao)，然后(hou)反向增加。

　　可以看出，t1 時刻由(you)于(yu)Q1 的(de)反向二極管的(de)鉗(qian)位(wei)作用，Q1 的(de)導通電壓為零。 此階段只有Lr 和Cr 進行諧(xie)振。

　　

　　圖(tu)4 工作時(shi)序波形圖(tu)

　　模(mo)式3 （t2 - t3）：Lm 上的(de)電(dian)(dian)流(liu)在t2 時刻(ke)與(yu)(yu)Lr上的(de)電(dian)(dian)流(liu)相(xiang)等，此(ci)(ci)時流(liu)過變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)的(de)電(dian)(dian)流(liu)為零，負載與(yu)(yu)變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)被(bei)隔離開。Q1 在此(ci)(ci)時刻(ke)關斷，Q2的(de)反向二極管導(dao)通(tong)續流(liu)。 此(ci)(ci)階段Lm 也加入到諧(xie)振部分， 與(yu)(yu)Lr 和Cr 串聯組(zu)成諧(xie)振回路。

　　在(zai)(zai)下半個(ge)(ge)周期中， 電(dian)(dian)(dian)路的工(gong)作與上半個(ge)(ge)周期剛(gang)剛(gang)相似，只是方(fang)向相反。整個(ge)(ge)周期的電(dian)(dian)(dian)路工(gong)作波形：在(zai)(zai)上半個(ge)(ge)周期中，開關(guan)管(guan)Q1 為零電(dian)(dian)(dian)壓導通(tong)， 而Q1 在(zai)(zai)t3 時刻的關(guan)斷電(dian)(dian)(dian)流(liu)im 很小(xiao)； 在(zai)(zai)下半個(ge)(ge)周期中，開關(guan)管(guan)Q2 為零電(dian)(dian)(dian)壓導通(tong)，而Q2 在(zai)(zai)t6 時刻的關(guan)斷電(dian)(dian)(dian)流(liu)im 很小(xiao)，所以(yi)Q1 、Q2 工(gong)作時的開關(guan)損耗很小(xiao)。

　　2 充電器硬件(jian)設計

　　經過上面的(de)分析，設計中采用電(dian)流(liu)、電(dian)壓負反饋的(de)方法來達到(dao)恒(heng)流(liu)、恒(heng)壓充電(dian)的(de)目(mu)的(de)，充電(dian)器硬件原理框圖(tu)如圖(tu)5 所示。

　　

　　圖(tu)5 充(chong)電器的硬件原理框圖(tu)

　　交流(liu)(liu)電(dian)(dian)經過濾波整流(liu)(liu)后，流(liu)(liu)向NCP1653，由(you)其提供PFC（Power Factor Correction） 操作，NCP1653是一(yi)款連續導(dao)通型(xing)（CCM） 的(de)(de)(de)(de)功率因數(shu)校正（ PFC） 升壓(ya)(ya)式的(de)(de)(de)(de)上升控(kong)制電(dian)(dian)路(lu)， 它的(de)(de)(de)(de)外圍元器(qi)件數(shu)量很(hen)少，有(you)效(xiao)地(di)減少了(le)升壓(ya)(ya)電(dian)(dian)感的(de)(de)(de)(de)體積， 減小了(le)功率MOS管的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)流(liu)(liu)應力，從(cong)而降低(di)了(le)成(cheng)本(ben)，且極大地(di)簡化了(le)CCM 型(xing)的(de)(de)(de)(de)PFC 的(de)(de)(de)(de)操作，它還集成(cheng)了(le)高(gao)可靠的(de)(de)(de)(de)保(bao)護(hu)功能。 NCP1396 電(dian)(dian)路(lu)為整個(ge)硬件電(dian)(dian)路(lu)提供保(bao)護(hu)（包(bao)括(kuo)有(you)反饋環(huan)路(lu)失效(xiao)偵測、快速(su)與低(di)速(su)事(shi)件輸(shu)(shu)入(ru)，以及可以避免(mian)在(zai)低(di)輸(shu)(shu)入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)下(xia)工(gong)作的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)源(yuan)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)過低(di)偵測等） ，NCP1396 的(de)(de)(de)(de)獨(du)特架構包(bao)括(kuo)一(yi)個(ge)500 kHz 的(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)控(kong)振蕩器(qi)，由(you)于在(zai)諧振電(dian)(dian)路(lu)結構中避開(kai)諧振尖峰相當重要(yao)，因此為了(le)將轉換器(qi)安排在(zai)正確的(de)(de)(de)(de)工(gong)作區，NCP1396 內(nei)置了(le)可調整且精(jing)確的(de)(de)(de)(de)最(zui)低(di)開(kai)關(guan)頻(pin)率，通過專有(you)高(gao)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)技術支持。 應用(yong)S3F84K4 單片機實現智能充電(dian)(dian)器(qi)控(kong)制。

   3 軟(ruan)件(jian)設(she)計

　　為滿足(zu)充電要求， 該充電器軟(ruan)件(jian)設計(ji)除了完成充放電控制外， 還具有過(guo)(guo)流保護、過(guo)(guo)壓(ya)保護、過(guo)(guo)溫保護、短路報(bao)警等功(gong)能模塊。主程序(xu)流程圖(tu)如圖(tu)6 所示。

　　

　　圖(tu)6 主程(cheng)序流(liu)程(cheng)圖(tu)。

　　程序(xu)開始(shi)(shi)執(zhi)行(xing)后， 首(shou)先(xian)進行(xing)初始(shi)(shi)化并檢(jian)測(ce)(ce)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)、電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流、溫度等信息是(shi)否(fou)正(zheng)(zheng)常(chang)。 如正(zheng)(zheng)常(chang)則進入下一步。 否(fou)則報(bao)警(jing)并關閉(bi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)。 如果電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)在充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)止(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)和放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)止(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)之間， 說明電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)既(ji)可充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)也可放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 此時電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)將判(pan)斷(duan)接(jie)上(shang)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機還是(shi)接(jie)上(shang)負載。 以(yi)進行(xing)相應的充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)和放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 如果兩者都(dou)沒有接(jie)則循(xun)環檢(jian)測(ce)(ce)過(guo)(guo)程。 若(ruo)(ruo)(ruo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)已經到(dao)(dao)達(da)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)止(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)。 則等待(dai)負載的接(jie)入進行(xing)放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)；同樣若(ruo)(ruo)(ruo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)己經達(da)到(dao)(dao)放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)止(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)，則等待(dai)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器的接(jie)入以(yi)進行(xing)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 在整個過(guo)(guo)程中(zhong)，該電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)將始(shi)(shi)終(zhong)實(shi)時檢(jian)測(ce)(ce)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)信息，若(ruo)(ruo)(ruo)有異常(chang)情況(kuang)發生，則立即利用中(zhong)斷(duan)信號(hao)終(zhong)止(zhi)(zhi)正(zheng)(zheng)在進行(xing)的充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)或者放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)過(guo)(guo)程，關斷(duan)充(chong)(chong)(chong)放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)回路(lu)，同時進行(xing)報(bao)警(jing)并提示報(bao)警(jing)原(yuan)因。

　　4 測試結果

　　本充電器的各項指標如下：

　　（1） 輸入(ru)電(dian)流(liu)：50/ 60 Hz。

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

　　（3） 恒流充電(dian)電(dian)流：4. 5 A。

　　（4） 恒壓充(chong)電(dian)電(dian)壓：45 V （AC）。

　　（5） 環境溫度： - 5~45 ℃。

　　經分析(xi)， 按上述設計和(he)分析(xi)結果， 最后(hou)選定LLC 的(de)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。 因為采(cai)用PWM 控制器(qi)，所以，充(chong)電(dian)(dian)效率(lv)可以達到92 %以上(shang)，最低時在85 %左右(you)。根據(ju)實際需要(yao)，要(yao)想(xiang)達到理(li)想(xiang)的充(chong)電(dian)(dian)效率(lv)，對充(chong)器(qi)件做進一(yi)步的精(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電池(chi)電壓的精確控制(zhi)，設計中元器件的選(xuan)型也都(dou)是(shi)圍(wei)繞著這(zhe)個重點來完(wan)成(cheng)的經過實驗電路(lu)的實際測(ce)試，由電源變壓器、整流(liu)電路(lu)、濾波(bo)電路(lu)及(ji)穩壓電路(lu)構成(cheng)AC/ DC 變換(huan)電路(lu)。 在NCP1653 、NCP1396 與S3F84 K4 的配(pei)合(he)控制(zhi)下可(ke)實現(xian)很高的系(xi)統精度。