中心議題：

• LLC 諧振電路的工作原理和特點
• 智能充電器的軟硬件設計
• 智能充電器的性能指標測試

本文闡述半橋LLC 諧振電路的工作原理和特點
，並且用MATLAB 對LLC 諧振進行了仿真，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 通過編程為電路提供智能控製
，設計了一款大功率智能充電器。通過測試，該款充電器能很好的實現充電功能。

引 言

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。 youyuwaijiewendubianhua，dianwangdianyabodong
，yinerdadajiangdilechongdianqichongdianxingnengdewendingxing，zhejiuxuyaoyouyizhongnengziwotiaojiedexitong
，yudaowaijiedeganraonengshishizuochuhuiying，baozhengchongdiandewendingxing
，busunhuaibeichongdiandedianchi。 智能控製在此能提供一種很好的解決方案。電源行業已經開始在其產品中運用智能控製，通過單片機的編程對過壓、過流情況做出判斷，為電池提供保護。 LLC 諧振變換器在充電器的運用也是越來越多
，LLC 諧振變換器的拓撲本身具有一些優越的性能，可以實現原邊開關管在全負載下的零電壓軟開關（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合。 今後電源的發展方向是用單片機來完成所有功能，包括：脈寬調控
、反饋、過壓過流保護等等。

下麵介紹的就是一款應比亞迪公司（BYD）的要求，設計出的一種基於單片機的智能充電器。 該充電器對充電過程進行智能控製

，係統中的管理電路還具有保護功能，可防止電池的過充和過放對電池造成損壞。

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，關係到充電器性能的好壞。 下麵著重介紹其基本結構、數學模型及時序分析。

1. 1  LLC 諧振變換器的基本結構
圖1 所示為LLC 諧振變換器的原理圖。 串聯諧振電感Lr 、串聯諧振電容Cr 和並聯諧振電感Lm ,構成LLC 諧振網絡， 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

當發生諧振時，LC 的本征諧振頻率為：

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 ,當負載RL 變化時，可以調節開關（Q1 、Q2 ） 頻率在f1 和f2 間變化

，使品質因數達到最大。 利用這種特性，可以方便地實現脈衝頻率模式PFM（ Pul se Frequency Model） ,品質因數表示如下：

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

，隻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
，並且控製變壓器原
、副邊的繞線方式可以提高品質因素。
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1. 2  LLC 的數學模型分析
通過上述分析，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 為品質因數。

利用MA TIAB 對該模型進行仿真
，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 諧振有著較大的應用範圍。 在輕負載時，工作頻率逐漸升高， 工作在降壓區域內
； 而在重負載時， 工作頻率逐漸降低， 工作在升壓區域內。 由圖3 可知
， 串聯諧振的工作區域應該為f s / f r > 1 ,才能工作在ZVS 的狀態。 在不同負載下，為獲得ZVS 的工作條件， 隻要使之工作在f s / f r > 1的右側即可。 而LLC 諧振不僅僅局限於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。 並且與串聯諧振相比
，在不同負載時的頻率變化範圍更小。
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1. 3  LLC 諧振變換器的時序分析
LLC 諧振變換器由兩個主開關管Q1 和Q2 構成，其驅動信號是占空比固定為0. 5 的互補驅動信號。 為了保證原邊功率MOS 管的ZVS , 副邊二極管的ZCS（Zero Current Switch） 都可以實現，工作頻率在f 2 < f ≤f 1 時
， 其工作波形圖如圖4 所示。 從圖中可以看出LLC 變換器工作在半個周期內可以分為三個工作模式。

模式1 （t0 - t1）：兩個開關管（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 時刻減小到零，Q1 在此時刻導通
， Lr 上的電流反向增大， 達到峰值後減小。 Lm 上的電流先減小
，然後反向增加。

可以看出
，t1 時刻由於Q1 的反向二極管的鉗位作用，Q1 的導通電壓為零。 此階段隻有Lr 和Cr 進行諧振。

圖4  工作時序波形圖

模式3 （t2 - t3）：Lm 上的電流在t2 時刻與Lr上的電流相等，此時流過變壓器的電流為零
，負載與變壓器被隔離開。Q1 在此時刻關斷，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 串聯組成諧振回路。

在下半個周期中， 電路的工作與上半個周期剛剛相似
，隻是方向相反。整個周期的電路工作波形：在上半個周期中，開關管Q1 為零電壓導通， 而Q1 在t3 時刻的關斷電流im 很小
； 在下半個周期中，開關管Q2 為零電壓導通，而Q2 在t6 時刻的關斷電流im 很小，所以Q1 、Q2 工作時的開關損耗很小。

2  充電器硬件設計

經過上麵的分析，設計中采用電流、電壓負反饋的方法來達到恒流、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

交流電經過濾波整流後，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） 升壓式的上升控製電路
， 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 電路為整個硬件電路提供保護（包括有反饋環路失效偵測
、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低偵測等） ,NCP1396 的獨特架構包括一個500 kHz 的壓控振蕩器，由於在諧振電路結構中避開諧振尖峰相當重要，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關頻率，通過專有高電壓技術支持。 應用S3F84K4 單片機實現智能充電器控製。
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3  軟件設計

為滿足充電要求
， 該充電器軟件設計除了完成充放電控製外
， 還具有過流保護、過壓保護、過溫保護、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。

程序開始執行後， 首先進行初始化並檢測電池電壓、電流
、溫度等信息是否正常。 如正常則進入下一步。 否則報警並關閉電路。 如果電池電壓在充電終止電壓和放電終止電壓之間， 說明電池既可充電也可放電。 此時電路將判斷接上充電機還是接上負載。 以進行相應的充電和放電。 如果兩者都沒有接則循環檢測過程。 若電池電壓已經到達充電終止電壓。 則等待負載的接入進行放電
；同樣若電池電壓己經達到放電終止電壓，則等待充電器的接入以進行充電。 在zai整zheng個ge過guo程cheng中zhong
，該gai電dian路lu將jiang始shi終zhong實shi時shi檢jian測ce電dian池chi信xin息xi
，若ruo有you異yi常chang情qing況kuang發fa生sheng，則ze立li即ji利li用yong中zhong斷duan信xin號hao終zhong止zhi正zheng在zai進jin行xing的de充chong電dian或huo者zhe放fang電dian過guo程cheng
，關guan斷duan充chong放fang電dian回hui路lu，同tong時shi進jin行xing報bao警jing並bing提ti示shi報bao警jing原yuan因yin。

4  測試結果

本充電器的各項指標如下：

• 輸入電流：50/ 60 Hz。
• AC/ DC 輸出電壓48 :V , AC/ DC 輸出電流：5. 0 A。
• 恒流充電電流：4. 5 A。
• 恒壓充電電壓：45 V （AC）。
• 環境溫度： - 5~45 ℃。

經分析
， 按上述設計和分析結果， 最後選定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，隻需在初始化時設定更大的充電電流即可。 因為采用PWM 控製器，所以
，充電效率可以達到92 %以上，最低時在85 %左右。根據實際需要，要想達到理想的充電效率，對充器件做進一步的精確要求。

5  結 語

在zai智zhi能neng充chong電dian器qi控kong製zhi係xi統tong設she計ji過guo程cheng中zhong，主zhu要yao側ce重zhong點dian是shi保bao證zheng充chong電dian器qi對dui充chong電dian電dian池chi電dian壓ya的de精jing確que控kong製zhi，設she計ji中zhong元yuan器qi件jian的de選xuan型xing也ye都dou是shi圍wei繞rao著zhe這zhe個ge重zhong點dian來lai完wan成cheng的de經jing過guo實shi驗yan電dian路lu的de實shi際ji測ce試shi
，由you電dian源yuan變bian壓ya器qi、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 的配合控製下可實現很高的係統精度。