闡述半橋LLC 諧振電路的工作原理和特點(diǎn)，并且用MATLAB 對LLC 諧振進(jìn)行了仿真，分析了其工作區域。 在此基礎上，運用NCP1653 提供PFC 電路，NCP1396 （壓控震蕩器）為電路提供保護功能，單片機芯片S3F84K4 通過(guò)編程為電路提供智能控制，設計了一款大功率智能充電器。通過(guò)測試，該款充電器能很好的實(shí)現充電功能。

　　0 引 言
　　充電器與人們的日常生活密切相關(guān)，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(guān)。由于外界溫度變化，電網(wǎng)電壓波動(dòng)，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(shí)時(shí)做出回應，保證充電的穩定性，不損壞被充電的電池。智能控制在此能提供一種很好的解決方案。電源行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始在其產(chǎn)品中運用智能控制，通過(guò)單片機的編程對過(guò)壓、過(guò)流情況做出判斷，為電池提供保護。 LLC 諧振變換器在充電器的運用也是越來(lái)越多，LLC 諧振變換器的拓撲本身具有一些優(yōu)越的性能，可以實(shí)現原邊開(kāi)關(guān)管在全負載下的零電壓軟開(kāi)關(guān)（ ZVS （ Zero VoltageSwitch） ） ，副邊整流二極管電壓應力低，因此高輸出電壓的情況下可以實(shí)現較高的效率等。 這使得LLC 諧振變換器特別適合高輸出電壓的應用場(chǎng)合。 今后電源的發(fā)展方向是用單片機來(lái)完成所有功能，包括：脈寬調控、反饋、過(guò)壓過(guò)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。該充電器對充電過(guò)程進(jìn)行智能控制，系統中的管理電路還具有保護功能，可防止電池的過(guò)充和過(guò)放對電池造成損壞。

　　1 LLC 諧振變換器
　　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(guān)系到充電器性能的好壞。 下面著(zhù)重介紹其基本結構、數學(xué)模型及時(shí)序分析。
　　1. 1 LLC 諧振變換器的基本結構
　　圖1 所示為L(cháng)LC 諧振變換器的原理圖。 串聯(lián)諧振電感Lr 、串聯(lián)諧振電容Cr 和并聯(lián)諧振電感Lm ，構成LLC 諧振網(wǎng)絡(luò )， Cr 也起到隔直作用［3 ］ 。 在變壓器次級，整流二極管直接連接到輸出電容Co上。
　　
　　圖1 LLC 諧振變換器的原理圖
　　當發(fā)生諧振時(shí)，LC 的本征諧振頻率為：
　　
　　當Lr ， Cr 和Lm發(fā)生諧振時(shí)，LLC 本征諧振頻率為：
　　
　　由式（1） 、（2） 可知f1 》 f2 ，當負載RL 變化時(shí)，可以調節開(kāi)關(guān)（Q1 、Q2 ） 頻率在f1 和f2 間變化，使品質(zhì)因數達到最大。 利用這種特性，可以方便地實(shí)現脈沖頻率模式PFM（ Pul se Frequency Model），品質(zhì)因數表示如下：

　　

　　LLC 諧振網(wǎng)絡(luò )需要兩個(gè)磁性元件Lr 和Lm。
　　然而，考慮到高頻變壓器實(shí)際結構，可以把磁性元件Lr 和Lm 集成在一個(gè)變壓器內，利用變壓器的漏感作為L(cháng)r ，利用變壓器的磁化電感作為L(cháng)m ， 這樣一來(lái)，可以大大減少磁性元件數目。 在設計時(shí)，只要重點(diǎn)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(xiàn)方式可以提高品質(zhì)因素。
        1. 2 LLC 的數學(xué)模型分析
　　通過(guò)上述分析，由圖1 的LLC 諧振變換器的原理圖得其LLC 等效模型如圖2 所示。
　　
　　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(zhì)因數。
利用MA TIAB 對該模型進(jìn)行仿真，可以初步分析出其工作特性如圖3 所示。 其中f s 為啟動(dòng)頻率（ Start Frequency） f r 為諧振頻率（ ResonantFrequency）。

　　圖3 LLC 諧振工作特性。
　　從圖3 中可以看到，在整個(gè)頻率圍內，既有降壓的工作區域（M 《 1） ，也有升壓的工作區域（ M 》1） ，此LLC 諧振有著(zhù)較大的應用范圍。 在輕負載時(shí)，工作頻率逐漸升高， 工作在降壓區域內； 而在重負載時(shí)， 工作頻率逐漸降低， 工作在升壓區域內。由圖3 可知， 串聯(lián)諧振的工作區域應該為f s / f r 》 1 ，才能工作在ZVS 的狀態(tài)。 在不同負載下，為獲得ZVS 的工作條件， 只要使之工作在f s / f r 》 1的右側即可。 而LLC 諧振不僅僅局限于f s / f r 》 1 的區域，在某些負載下可以工作在f s / f r 《 1區域。 同樣可以獲得零電壓轉換的工作狀況。并且與串聯(lián)諧振相比，在不同負載時(shí)的頻率變化范圍更小。

        1. 3 LLC 諧振變換器的時(shí)序分析

　　LLC 諧振變換器由兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管Q1 和Q2 構成，其驅動(dòng)信號是占空比固定為0. 5 的互補驅動(dòng)信號。 為了保證原邊功率MOS 管的ZVS ， 副邊二極管的ZCS（Zero Current Switch） 都可以實(shí)現，工作頻率在f 2 《 f ≤f 1 時(shí)，其工作波形圖如圖4 所示。 從圖中可以看出LLC 變換器工作在半個(gè)周期內可以分為三個(gè)工作模式。
　　模式1 （t0 - t1）：兩個(gè)開(kāi)關(guān)管（Q1 、Q2 ） 都截止，Q1 的反向二級管導通續流， Lr 上的電流逐漸減小，變壓器產(chǎn)生感生電流，向負載供電。 反向二極管的導通將Q1兩端的電壓鉗位在零。
　　模式2 （t1 - t2）：Lr 上的電流在t1 時(shí)刻減小到零，Q1 在此時(shí)刻導通， Lr 上的電流反向增大， 達到峰值后減小。 Lm 上的電流先減小，然后反向增加。
　　可以看出，t1 時(shí)刻由于Q1 的反向二極管的鉗位作用，Q1 的導通電壓為零。 此階段只有Lr 和Cr 進(jìn)行諧振。
　　
　　圖4 工作時(shí)序波形圖
　　模式3 （t2 - t3）：Lm 上的電流在t2 時(shí)刻與Lr上的電流相等，此時(shí)流過(guò)變壓器的電流為零，負載與變壓器被隔離開(kāi)。Q1 在此時(shí)刻關(guān)斷，Q2的反向二極管導通續流。 此階段Lm 也加入到諧振部分， 與Lr 和Cr 串聯(lián)組成諧振回路。
　　在下半個(gè)周期中， 電路的工作與上半個(gè)周期剛剛相似，只是方向相反。整個(gè)周期的電路工作波形：在上半個(gè)周期中，開(kāi)關(guān)管Q1 為零電壓導通，而Q1 在t3 時(shí)刻的關(guān)斷電流im 很��； 在下半個(gè)周期中，開(kāi)關(guān)管Q2 為零電壓導通，而Q2 在t6 時(shí)刻的關(guān)斷電流im 很小，所以Q1 、Q2 工作時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗很小。

　　2 充電器硬件設計
　　經(jīng)過(guò)上面的分析，設計中采用電流、電壓負反饋的方法來(lái)達到恒流、恒壓充電的目的，充電器硬件原理框圖如圖5 所示。
　

　　圖5 充電器的硬件原理框圖
　　交流電經(jīng)過(guò)濾波整流后，流向NCP1653，由其提供PFC（Power Factor Correction）操作，NCP1653是一款連續導通型（CCM） 的功率因數校正（ PFC） 升壓式的上升控制電路，它的外圍元器件數量很少，有效地減少了升壓電感的體積， 減小了功率MOS管的電流應力，從而降低了成本，且極大地簡(jiǎn)化了CCM 型的PFC 的操作，它還集成了高可靠的保護功能。 NCP1396 電路為整個(gè)硬件電路提供保護（包括有反饋環(huán)路失效偵測、快速與低速事件輸入，以及可以避免在低輸入電壓下工作的電源電壓過(guò)低偵測等），NCP1396 的獨特架構包括一個(gè)500 kHz 的壓控振蕩器，由于在諧振電路結構中避開(kāi)諧振尖峰相當重要，因此為了將轉換器安排在正確的工作區，NCP1396 內置了可調整且精確的最低開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)專(zhuān)有高電壓技術(shù)支持。 應用S3F84K4 單片機實(shí)現智能充電器控制。

        3 軟件設計
　　為滿(mǎn)足充電要求， 該充電器軟件設計除了完成充放電控制外，還具有過(guò)流保護、過(guò)壓保護、過(guò)溫保護、短路報警等功能模塊。主程序流程圖如圖6 所示。
　　

　　圖6 主程序流程圖。
　　程序開(kāi)始執行后， 首先進(jìn)行初始化并檢測電池電壓、電流、溫度等信息是否正常。 如正常則進(jìn)入下一步。 否則報警并關(guān)閉電路。如果電池電壓在充電終止電壓和放電終止電壓之間， 說(shuō)明電池既可充電也可放電。 此時(shí)電路將判斷接上充電機還是接上負載。以進(jìn)行相應的充電和放電。 如果兩者都沒(méi)有接則循環(huán)檢測過(guò)程。 若電池電壓已經(jīng)到達充電終止電壓。則等待負載的接入進(jìn)行放電；同樣若電池電壓己經(jīng)達到放電終止電壓，則等待充電器的接入以進(jìn)行充電。在整個(gè)過(guò)程中，該電路將始終實(shí)時(shí)檢測電池信息，若有異常情況發(fā)生，則立即利用中斷信號終止正在進(jìn)行的充電或者放電過(guò)程，關(guān)斷充放電回路，同時(shí)進(jìn)行報警并提示報警原因。

　　4 測試結果
　　本充電器的各項指標如下：
　�。�1） 輸入電流：50/ 60 Hz。
　�。�2） AC/ DC 輸出電壓48 ：V ， AC/ DC 輸出電流：5. 0 A。
　�。�3） 恒流充電電流：4. 5 A。
　�。�4） 恒壓充電電壓：45 V （AC）。
　�。�5） 環(huán)境溫度： - 5~45 ℃。
　　經(jīng)分析， 按上述設計和分析結果， 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(jīng)測試，充電保護措施可靠，充電狀態(tài)準確，充電時(shí)間約為6 h ，如果需要進(jìn)一步縮短充電時(shí)間，只需在初始化時(shí)設定更大的充電電流即可。 因為采用PWM 控制器，所以，充電效率可以達到92 %以上，最低時(shí)在85 %左右。根據實(shí)際需要，要想達到理想的充電效率，對充器件做進(jìn)一步的精確要求。

　　5 結 語(yǔ)
　　在智能充電器控制系統設計過(guò)程中，主要側重點(diǎn)是保證充電器對充電電池電壓的精確控制，設計中元器件的選型也都是圍繞著(zhù)這個(gè)重點(diǎn)來(lái)完成的經(jīng)過(guò)實(shí)驗電路的實(shí)際測試，由電源變壓器、整流電路、濾波電路及穩壓電路構成AC/ DC 變換電路。 在NCP1653 、NCP1396 與S3F84 K4 的配合控制下可實(shí)現很高的系統精度。