基于LLC的大功率智能充電器設(shè)計(jì)方案

摘 要：闡述半橋LLC 諧振電路的工作原理和特點(diǎn)，并且用MATLAB 對(duì)LLC 諧振進(jìn)行了仿真，分析了其工作區(qū)域。 在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用NCP1653 提供PFC 電路，NCP1396 （壓控震蕩器） 為電路提供保護(hù)功能，單片機(jī)芯片S3F84K4 通過(guò)編程為電路提供智能控制，設(shè)計(jì)了一款大功率智能充電器。 通過(guò)測(cè)試，該款充電器能很好的實(shí)現(xiàn)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(wěn)定性，這就需要有一種能自我調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，遇到外界的干擾能實(shí)時(shí)做出回應(yīng)，保證充電的穩(wěn)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(yùn)用智能控制，通過(guò)單片機(jī)的編程對(duì)過(guò)壓、過(guò)流情況做出判斷，為電池提供保護(hù)。 LLC 諧振變換器在充電器的運(yùn)用也是越來(lái)越多，LLC 諧振變換器的拓?fù)浔旧砭哂幸恍﹥?yōu)越的性能，可以實(shí)現(xiàn)原邊開(kāi)關(guān)管在全負(fù)載下的零電壓軟開(kāi)關(guān)（ ZVS （ Zero VoltageSwitch） ） ,副邊整流二極管電壓應(yīng)力低，因此高輸出電壓的情況下可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)用場(chǎng)合。 今后電源的發(fā)展方向是用單片機(jī)來(lái)完成所有功能，包括：脈寬調(diào)控、反饋、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)等等。

下面介紹的就是一款應(yīng)比亞迪公司（B YD） 的要求，設(shè)計(jì)出的一種基于單片機(jī)的智能充電器。 該充電器對(duì)充電過(guò)程進(jìn)行智能控制，系統(tǒng)中的管理電路還具有保護(hù)功能，可防止電池的過(guò)充和過(guò)放對(duì)電池造成損壞。

1 LLC 諧振變換器

本充電器設(shè)計(jì)中要考慮整流濾波、能量轉(zhuǎn)換，電路保護(hù)、軟件設(shè)計(jì)等。 而LLC 諧振變換器是能量轉(zhuǎn)換中最重要的部分，關(guān)系到充電器性能的好壞。 下面著重介紹其基本結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型及時(shí)序分析。

1. 1 LLC 諧振變換器的基本結(jié)構(gòu)

圖1 所示為L(zhǎng)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(gòu)成LLC 諧振網(wǎng)絡(luò)， Cr 也起到隔直作用[3 ] . 在變壓器次級(jí)，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(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，LC 的本征諧振頻率為：

當(dāng)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(dāng)負(fù)載RL 變化時(shí)，可以調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)（Q1 、Q2 ） 頻率在f1 和f2 間變化，使品質(zhì)因數(shù)達(dá)到最大。 利用這種特性，可以方便地實(shí)現(xiàn)脈沖頻率模式PFM（ Pul se Frequency Model） ,品質(zhì)因數(shù)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(jié)構(gòu)，可以把磁性元件Lr 和Lm 集成在一個(gè)變壓器內(nèi)，利用變壓器的漏感作為L(zhǎng)r , 利用變壓器的磁化電感作為L(zhǎng)m , 這樣一來(lái)，可以大大減少磁性元件數(shù)目。 在設(shè)計(jì)時(shí)，只要重點(diǎn)設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)臍庀叮⑶铱刂谱儔浩髟?、副邊的繞線方式可以提高品質(zhì)因素。

1. 2 LLC 的數(shù)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2LLC 原理圖的等效模型圖

電壓傳遞函數(shù)為：

其中：

Q 為品質(zhì)因數(shù)。

利用MA TIAB 對(duì)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(nèi)，既有降壓的工作區(qū)域（M < 1） ,也有升壓的工作區(qū)域（ M >1） ,此LLC 諧振有著較大的應(yīng)用范圍。 在輕負(fù)載時(shí)，工作頻率逐漸升高， 工作在降壓區(qū)域內(nèi)； 而在重負(fù)載時(shí)， 工作頻率逐漸降低， 工作在升壓區(qū)域內(nèi)。 由圖3 可知， 串聯(lián)諧振的工作區(qū)域應(yīng)該為f s / f r > 1 ,才能工作在ZVS 的狀態(tài)。 在不同負(fù)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(cè)即可。 而LLC 諧振不僅僅局限于f s / f r > 1 的區(qū)域， 在某些負(fù)載下可以工作在f s / f r < 1區(qū)域。 同樣可以獲得零電壓轉(zhuǎn)換的工作狀況。 并且與串聯(lián)諧振相比，在不同負(fù)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(gòu)成，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)是占空比固定為0. 5 的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 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(xiàn)，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(nèi)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(jí)管導(dǎo)通續(xù)流， Lr 上的電流逐漸減小，變壓器產(chǎn)生感生電流，向負(fù)載供電。 反向二極管的導(dǎo)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(dǎo)通， Lr 上的電流反向增大， 達(dá)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(dǎo)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(fù)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(dǎo)通續(xù)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)上面的分析，設(shè)計(jì)中采用電流、電壓負(fù)反饋的方法來(lái)達(dá)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(xù)導(dǎo)通型（CCM） 的功率因數(shù)校正（ PFC） 升壓式的上升控制電路， 它的外圍元器件數(shù)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(yīng)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(hù)功能。 NCP1396 電路為整個(gè)硬件電路提供保護(hù)（包括有反饋環(huán)路失效偵測(cè)、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(cè)等） ,NCP1396 的獨(dú)特架構(gòu)包括一個(gè)500 kHz 的壓控振蕩器，由于在諧振電路結(jié)構(gòu)中避開(kāi)諧振尖峰相當(dāng)重要，因此為了將轉(zhuǎn)換器安排在正確的工作區(qū)，NCP1396 內(nèi)置了可調(diào)整且精確的最低開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)專有高電壓技術(shù)支持。 應(yīng)用S3F84K4 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能充電器控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

為滿足充電要求， 該充電器軟件設(shè)計(jì)除了完成充放電控制外， 還具有過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、短路報(bào)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(zhí)行后， 首先進(jìn)行初始化并檢測(cè)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(bào)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(jī)還是接上負(fù)載。 以進(jìn)行相應(yīng)的充電和放電。 如果兩者都沒(méi)有接則循環(huán)檢測(cè)過(guò)程。 若電池電壓已經(jīng)到達(dá)充電終止電壓。 則等待負(fù)載的接入進(jìn)行放電；同樣若電池電壓己經(jīng)達(dá)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(cè)電池信息，若有異常情況發(fā)生，則立即利用中斷信號(hào)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(bào)警并提示報(bào)警原因。

4 測(cè)試結(jié)果

本充電器的各項(xiàng)指標(biāo)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(shè)計(jì)和分析結(jié)果， 最后選定LLC 的參數(shù)Cr = 0. 043 055μF，Lr = 72. 636 09μH，Lm = 435. 816 5μH。

本智能充電器經(jīng)測(cè)試，充電保護(hù)措施可靠，充電狀態(tài)準(zhǔn)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(shè)定更大的充電電流即可。 因?yàn)椴捎肞WM 控制器，所以，充電效率可以達(dá)到92 %以上，最低時(shí)在85 %左右。根據(jù)實(shí)際需要，要想達(dá)到理想的充電效率，對(duì)充器件做進(jìn)一步的精確要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

在智能充電器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要側(cè)重點(diǎn)是保證充電器對(duì)充電電池電壓的精確控制，設(shè)計(jì)中元器件的選型也都是圍繞著這個(gè)重點(diǎn)來(lái)完成的經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)電路的實(shí)際測(cè)試，由電源變壓器、整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路構(gòu)成AC/ DC 變換電路。 在NCP1653 、NCP1396 與S3F84 K4 的配合控制下可實(shí)現(xiàn)很高的系統(tǒng)精度。

[1].NCP1653 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/NCP1653+_1119094.html.
[2].PFC datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PFC+_1200255.html.
[3].f1 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/f1+_2060738.html.
[4].im datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/im+_1064045.html.