LLC實(shí)現(xiàn)大功率智能充電器

　　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)。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(xiàn)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2 　LLC 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 很小; 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(zhuān)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(mǎn)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。