基于LLC的大功率智能充電器設(shè)計方案

　　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(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 通過編程為電路提供智能控制，設(shè)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(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，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)開始在其產(chǎn)品中運(yùn)用智能控制，通過單片機(jī)的編程對過壓、過流情況做出判斷，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)原邊開關(guān)管在全負(fù)載下的零電壓軟開關(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)用場合。 今后電源的發(fā)展方向是用單片機(jī)來完成所有功能，包括：脈寬調(diào)控、反饋、過壓過流保護(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)計出的一種基于單片機(jī)的智能充電器。 該充電器對充電過程進(jìn)行智能控制，系統(tǒng)中的管理電路還具有保護(hù)功能，可防止電池的過充和過放對電池造成損壞。

　　1 LLC 諧振變換器

　　本充電器設(shè)計中要考慮整流濾波、能量轉(zhuǎn)換，電路保護(hù)、軟件設(shè)計等。 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)模型及時序分析。

　　1. 1 LLC 諧振變換器的基本結(jié)構(gòu)

　　圖1 所示為LLC 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，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，LC 的本征諧振頻率為：

　　當(dāng)Lr ， Cr 和Lm發(fā)生諧振時，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，可以調(diào)節(jié)開關(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 集成在一個變壓器內(nèi)，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(shù)目。 在設(shè)計時，只要重點(diǎn)設(shè)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(dāng)?shù)臍庀?，并且控制變壓器原、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)。