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)(de)(de)穩定(ding)性，不(bu)損壞(huai)被充(chong)電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池。 智能(neng)控制在(zai)此能(neng)提供(gong)一種很好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)解決方(fang)案。電(dian)(dian)(dian)源行業已經開始(shi)在(zai)其產品中運用(yong)智能(neng)控制，通過(guo)單片(pian)機的(de)(de)(de)(de)(de)編程(cheng)對過(guo)壓(ya)(ya)、過(guo)流情況做出判斷，為電(dian)(dian)(dian)池提供(gong)保護。 LLC 諧振(zhen)變(bian)換(huan)器(qi)在(zai)充(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)運用(yong)也(ye)是越(yue)來越(yue)多(duo)，LLC 諧振(zhen)變(bian)換(huan)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)拓撲本身具有(you)一些優越(yue)的(de)(de)(de)(de)(de)性能(neng)，可以實現(xian)原邊開關管(guan)在(zai)全負載下的(de)(de)(de)(de)(de)零電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)軟開關（ ZVS （ Zero VoltageSwitch） ） ，副(fu)邊整流二極管(guan)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)應力低，因此高(gao)輸出電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)情況下可以實現(xian)較高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)效率(lv)等。 這使得LLC 諧振(zhen)變(bian)換(huan)器(qi)特別適合(he)高(gao)輸出電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)場合(he)。 今后(hou)電(dian)(dian)(dian)源的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)展方(fang)向是用(yong)單片(pian)機來完成所有(you)功(gong)能(neng)，包括：脈(mo)寬(kuan)調控、反饋、過(guo)壓(ya)(ya)過(guo)流保護等等。

　　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)過程進行智能(neng)控制，系統中(zhong)的(de)管(guan)理電(dian)路還具(ju)有保護功能(neng)，可防止電(dian)池的(de)過充和過放對電(dian)池造成損壞。

　　1 LLC 諧振變(bian)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，關系到充電器性能的(de)好壞。 下面著(zhu)重介(jie)紹其(qi)基(ji)本結構、數學模(mo)型及(ji)時序分析。

　　1. 1 LLC 諧振變換器的基本(ben)結構

　　圖(tu)1 所示為LLC 諧振(zhen)(zhen)(zhen)變(bian)換(huan)器的(de)原理圖(tu)。 串聯(lian)諧振(zhen)(zhen)(zhen)電(dian)感Lr 、串聯(lian)諧振(zhen)(zhen)(zhen)電(dian)容Cr 和并聯(lian)諧振(zhen)(zhen)(zhen)電(dian)感Lm ，構成(cheng)LLC 諧振(zhen)(zhen)(zhen)網絡， Cr 也起到隔直作用(yong)［3 ］ 。 在變(bian)壓器次級，整流二(er)極(ji)管直接(jie)連接(jie)到輸出(chu)電(dian)容Co上。

　　

　　圖(tu)1 LLC 諧振變換器的(de)原理圖(tu)

　　當發生諧(xie)振時，LC 的本征諧(xie)振頻率為(wei)：

　　

　　當(dang)Lr ， Cr 和Lm發生諧振(zhen)(zhen)時，LLC 本征諧振(zhen)(zhen)頻率為：

　　

　　由式（1） 、（2） 可知f1 》 f2 ，當(dang)負載RL 變化時，可以(yi)調節開(kai)關(guan)（Q1 、Q2 ） 頻率(lv)在(zai)f1 和f2 間(jian)變化，使品質因(yin)數(shu)(shu)達(da)到最大(da)。 利用(yong)這種特(te)性，可以(yi)方便地實現脈沖(chong)頻率(lv)模式PFM（ Pul se Frequency Model） ，品質因(yin)數(shu)(shu)表示如下(xia)：

　　

　　LLC 諧(xie)振網絡(luo)需(xu)要(yao)兩(liang)個磁(ci)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 的數(shu)學模型分(fen)析

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

　　

　　圖2 　LLC 原理圖的等效模(mo)型圖

　　電壓傳遞函數為：

　　

　　其中：

　　

　　Q 為品質(zhi)因數。

　　利用(yong)MA TIAB 對該(gai)模型進行仿真(zhen)，可以初步分析出(chu)其工作(zuo)特性如圖3 所示。 其中(zhong)f s 為(wei)啟動頻率（ Start Frequency） f r 為(wei)諧振頻率（ ResonantFrequency）。

　　

　　圖3 LLC 諧(xie)振工(gong)作(zuo)特性。

　　從圖(tu)3 中(zhong)可以(yi)看(kan)到，在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)整個頻(pin)(pin)率(lv)圍內，既有(you)降(jiang)壓(ya)的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)(yu)（M 《 1） ，也有(you)升(sheng)壓(ya)的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)(yu)（ M 》1） ，此LLC 諧(xie)振(zhen)(zhen)有(you)著較大的(de)(de)應用范圍。 在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)輕負(fu)載時(shi)(shi)(shi)，工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)頻(pin)(pin)率(lv)逐(zhu)漸升(sheng)高(gao)， 工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)降(jiang)壓(ya)區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)(yu)內； 而在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)重負(fu)載時(shi)(shi)(shi)， 工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)頻(pin)(pin)率(lv)逐(zhu)漸降(jiang)低， 工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)升(sheng)壓(ya)區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)(yu)內。 由圖(tu)3 可知， 串聯諧(xie)振(zhen)(zhen)的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)(yu)應該為f s / f r 》 1 ，才能(neng)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)ZVS 的(de)(de)狀態(tai)。 在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)不同(tong)負(fu)載下，為獲(huo)得ZVS 的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)條件(jian)， 只(zhi)要使之工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)f s / f r 》 1的(de)(de)右側即可。 而LLC 諧(xie)振(zhen)(zhen)不僅(jin)(jin)僅(jin)(jin)局限于f s / f r 》 1 的(de)(de)區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)(yu)， 在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)某些負(fu)載下可以(yi)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)f s / f r 《 1區(qu)(qu)(qu)域(yu)(yu)(yu)(yu)。 同(tong)樣可以(yi)獲(huo)得零電壓(ya)轉換(huan)的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)狀況。 并且與串聯諧(xie)振(zhen)(zhen)相比，在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)不同(tong)負(fu)載時(shi)(shi)(shi)的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)變化(hua)范圍更小。

   1. 3 LLC 諧振變換器的時序(xu)分析

　　LLC 諧振變換(huan)器由(you)兩個主開關管(guan)Q1 和Q2 構成，其驅(qu)動信號是占空比固(gu)定為(wei)0. 5 的互補驅(qu)動信號。 為(wei)了保證原邊(bian)功率MOS 管(guan)的ZVS ， 副邊(bian)二極管(guan)的ZCS（Zero Current Switch） 都可(ke)以實(shi)現(xian)，工(gong)作頻率在f 2 《 f ≤f 1 時， 其工(gong)作波形圖(tu)如圖(tu)4 所示(shi)。 從圖(tu)中可(ke)以看出LLC 變換(huan)器工(gong)作在半(ban)個周期(qi)內可(ke)以分為(wei)三個工(gong)作模式。

　　模(mo)式(shi)1 （t0 - t1）：兩個(ge)開關管(guan)(guan)（Q1 、Q2 ） 都截止，Q1 的反向(xiang)(xiang)二(er)級管(guan)(guan)導通續流， Lr 上(shang)的電流逐漸減小，變壓器產生(sheng)感(gan)生(sheng)電流，向(xiang)(xiang)負載供電。 反向(xiang)(xiang)二(er)極管(guan)(guan)的導通將Q1兩端的電壓鉗位在零。

　　模式2 （t1 - t2）：Lr 上(shang)的(de)電(dian)流在(zai)t1 時刻減小到(dao)零，Q1 在(zai)此時刻導(dao)通， Lr 上(shang)的(de)電(dian)流反向增(zeng)大， 達到(dao)峰值后減小。 Lm 上(shang)的(de)電(dian)流先減小，然后反向增(zeng)加。

　　可以看出(chu)，t1 時刻由于Q1 的反向二(er)極管的鉗位作用，Q1 的導(dao)通電壓為零。 此階段(duan)只有Lr 和Cr 進行諧(xie)振。

　　

　　圖(tu)4 工作時(shi)序波(bo)形(xing)圖(tu)

　　模(mo)式3 （t2 - t3）：Lm 上的電(dian)流(liu)在(zai)(zai)t2 時刻與Lr上的電(dian)流(liu)相等，此時流(liu)過變(bian)壓(ya)器的電(dian)流(liu)為(wei)零，負載與變(bian)壓(ya)器被(bei)隔(ge)離開。Q1 在(zai)(zai)此時刻關(guan)斷，Q2的反向二極(ji)管(guan)導通續流(liu)。 此階段Lm 也加入(ru)到諧振(zhen)部分， 與Lr 和Cr 串聯組成諧振(zhen)回路(lu)。

　　在下半(ban)個周期(qi)(qi)中(zhong)， 電(dian)(dian)路(lu)的(de)工作(zuo)(zuo)與上半(ban)個周期(qi)(qi)剛(gang)剛(gang)相似，只是(shi)方向相反。整個周期(qi)(qi)的(de)電(dian)(dian)路(lu)工作(zuo)(zuo)波形(xing)：在上半(ban)個周期(qi)(qi)中(zhong)，開(kai)(kai)關管Q1 為(wei)零(ling)電(dian)(dian)壓導(dao)通， 而(er)Q1 在t3 時(shi)刻(ke)的(de)關斷電(dian)(dian)流im 很(hen)小(xiao)； 在下半(ban)個周期(qi)(qi)中(zhong)，開(kai)(kai)關管Q2 為(wei)零(ling)電(dian)(dian)壓導(dao)通，而(er)Q2 在t6 時(shi)刻(ke)的(de)關斷電(dian)(dian)流im 很(hen)小(xiao)，所以Q1 、Q2 工作(zuo)(zuo)時(shi)的(de)開(kai)(kai)關損耗很(hen)小(xiao)。

　　2 充電器(qi)硬件設計

　　經過上面(mian)的(de)分析，設計中采用電(dian)(dian)流、電(dian)(dian)壓負反饋的(de)方(fang)法(fa)來達到恒流、恒壓充電(dian)(dian)的(de)目(mu)的(de)，充電(dian)(dian)器硬件原理框圖如(ru)圖5 所示(shi)。

　　

　　圖5 充電器(qi)的硬件(jian)原理框圖

　　交流電(dian)經過濾波整流后，流向NCP1653，由(you)其提供PFC（Power Factor Correction） 操作，NCP1653是一(yi)款連續導通型(xing)（CCM） 的(de)(de)(de)功率(lv)因數校正(zheng)（ PFC） 升(sheng)壓(ya)(ya)式的(de)(de)(de)上升(sheng)控制(zhi)電(dian)路， 它(ta)(ta)的(de)(de)(de)外圍(wei)元器(qi)件數量很(hen)少(shao)，有效地(di)減(jian)少(shao)了(le)升(sheng)壓(ya)(ya)電(dian)感的(de)(de)(de)體(ti)積， 減(jian)小了(le)功率(lv)MOS管的(de)(de)(de)電(dian)流應(ying)力，從而降(jiang)低(di)(di)(di)了(le)成本(ben)，且(qie)極大(da)地(di)簡(jian)化了(le)CCM 型(xing)的(de)(de)(de)PFC 的(de)(de)(de)操作，它(ta)(ta)還集成了(le)高可(ke)靠(kao)的(de)(de)(de)保護功能。 NCP1396 電(dian)路為整個硬件電(dian)路提供保護（包(bao)括有反饋環路失效偵測、快速與低(di)(di)(di)速事件輸入，以及可(ke)以避(bi)(bi)免在(zai)低(di)(di)(di)輸入電(dian)壓(ya)(ya)下(xia)工作的(de)(de)(de)電(dian)源電(dian)壓(ya)(ya)過低(di)(di)(di)偵測等(deng)） ，NCP1396 的(de)(de)(de)獨特架構包(bao)括一(yi)個500 kHz 的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)控振(zhen)蕩器(qi)，由(you)于在(zai)諧(xie)振(zhen)電(dian)路結(jie)構中避(bi)(bi)開(kai)諧(xie)振(zhen)尖峰相當重(zhong)要，因此(ci)為了(le)將(jiang)轉換器(qi)安排在(zai)正(zheng)確的(de)(de)(de)工作區(qu)，NCP1396 內置了(le)可(ke)調整且(qie)精確的(de)(de)(de)最(zui)低(di)(di)(di)開(kai)關頻率(lv)，通過專(zhuan)有高電(dian)壓(ya)(ya)技術支持。 應(ying)用(yong)S3F84K4 單片(pian)機(ji)實現智能充(chong)電(dian)器(qi)控制(zhi)。

   3 軟件設計

　　為滿足充電要(yao)求(qiu)， 該充電器軟件設計除了完成充放電控(kong)制外(wai)， 還具有過流保護、過壓保護、過溫保護、短路報警等功(gong)能模塊。主程(cheng)(cheng)序流程(cheng)(cheng)圖如圖6 所示。

　　

　　圖6 主程序(xu)流程圖。

　　程序開始執(zhi)行后， 首先進(jin)行初始化并(bing)檢(jian)測電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)、電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流、溫(wen)度等信息是否(fou)(fou)正常(chang)(chang)。 如(ru)正常(chang)(chang)則進(jin)入下一步。 否(fou)(fou)則報警并(bing)關閉電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)。 如(ru)果電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)在(zai)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)止(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)和(he)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)止(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)之間， 說明電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)既可充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)也可放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 此(ci)時(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)將(jiang)判斷接(jie)上(shang)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機還是接(jie)上(shang)負載。 以進(jin)行相應的(de)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)和(he)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 如(ru)果兩者(zhe)都沒有(you)接(jie)則循(xun)環檢(jian)測過(guo)(guo)程。 若電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)已(yi)經(jing)到(dao)達充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)止(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。 則等待負載的(de)接(jie)入進(jin)行放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)；同樣若電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)己經(jing)達到(dao)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)終(zhong)止(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)，則等待充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器的(de)接(jie)入以進(jin)行充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。 在(zai)整個過(guo)(guo)程中(zhong)，該電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)將(jiang)始終(zhong)實時(shi)(shi)檢(jian)測電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)信息，若有(you)異常(chang)(chang)情況發(fa)生，則立即利用(yong)中(zhong)斷信號終(zhong)止(zhi)正在(zai)進(jin)行的(de)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)或(huo)者(zhe)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)過(guo)(guo)程，關斷充(chong)(chong)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)回路(lu)，同時(shi)(shi)進(jin)行報警并(bing)提示報警原因。

　　4 測試結果

　　本充電(dian)器的各項指標(biao)如下(xia)：

　　（1） 輸(shu)入電流：50/ 60 Hz。

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

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

　　（4） 恒(heng)壓(ya)充電電壓(ya)：45 V （AC）。

　　（5） 環境溫度： - 5~45 ℃。

　　經分(fen)析， 按上(shang)述(shu)設計(ji)和分(fen)析結果， 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。 因為采用PWM 控制器，所以(yi)，充(chong)電(dian)效(xiao)率(lv)可以(yi)達(da)(da)到92 %以(yi)上，最低時在85 %左(zuo)右。根據實(shi)際需要(yao)，要(yao)想(xiang)達(da)(da)到理(li)想(xiang)的充(chong)電(dian)效(xiao)率(lv)，對充(chong)器件做(zuo)進一(yi)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充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)的精確控(kong)制，設計中元器件的選型也都是圍繞著這個(ge)重點來完成的經過(guo)實(shi)驗電(dian)(dian)(dian)路的實(shi)際測(ce)試(shi)，由(you)電(dian)(dian)(dian)源變壓(ya)(ya)器、整流電(dian)(dian)(dian)路、濾波電(dian)(dian)(dian)路及穩壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)路構(gou)成AC/ DC 變換電(dian)(dian)(dian)路。 在NCP1653 、NCP1396 與S3F84 K4 的配(pei)合控(kong)制下(xia)可(ke)實(shi)現很高(gao)的系統精度。