基于LLC的大功率智能充电器设计方案

阐述半桥LLC 谐振电路的工作原理和特点，并且用MATLAB 对LLC 谐振进行了仿真，分析了其工作区域。 在此基础上，运用NCP1653 提供PFC 电路，NCP1396 （压控震荡器） 为电路提供保护功能，单片机芯片S3F84K4 通过编程为电路提供智能控制，设计了一款大功率智能充电器。 通过测试，该款充电器能很好的实现充电功能。

　　0 引 言

　　充电器与人们的日常生活密切相关，充电器充电性能的好坏与被充电池的使用寿命、充电效率等息息相关。 由于外界温度变化，电网电压波动，因而大大降低了充电器充电性能的稳定性，这就需要有一种能自我调节的系统，遇到外界的干扰能实时做出回应，保证充电的稳定性，不损坏被充电的电池。 智能控制在此能提供一种很好的解决方案。电源行业已经开始在其产品中运用智能控制，通过单片机的编程对过压、过流情况做出判断，为电池提供保护。 LLC 谐振变换器在充电器的运用也是越来越多，LLC 谐振变换器的拓扑本身具有一些优越的性能，可以实现原边开关管在全负载下的零电压软开关（ ZVS （ Zero VoltageSwitch） ） ，副边整流二极管电压应力低，因此高输出电压的情况下可以实现较高的效率等。 这使得LLC 谐振变换器特别适合高输出电压的应用场合。 今后电源的发展方向是用单片机来完成所有功能，包括：脉宽调控、反馈、过压过流保护等等。

　　下面介绍的就是一款应比亚迪公司（B YD） 的要求，设计出的一种基于单片机的智能充电器。 该充电器对充电过程进行智能控制，系统中的管理电路还具有保护功能，可防止电池的过充和过放对电池造成损坏。

　　1 LLC 谐振变换器

　　本充电器设计中要考虑整流滤波、能量转换，电路保护、软件设计等。 而LLC 谐振变换器是能量转换中最重要的部分，关系到充电器性能的好坏。 下面着重介绍其基本结构、数学模型及时序分析。

　　1. 1 LLC 谐振变换器的基本结构

　　图1 所示为LLC 谐振变换器的原理图。 串联谐振电感Lr 、串联谐振电容Cr 和并联谐振电感Lm ，构成LLC 谐振网络， Cr 也起到隔直作用［3 ］ 。 在变压器次级，整流二极管直接连接到输出电容Co上。

　　图1 LLC 谐振变换器的原理图

　　当发生谐振时，LC 的本征谐振频率为：

　　当Lr ， Cr 和Lm发生谐振时，LLC 本征谐振频率为：

　　由式（1） 、（2） 可知f1 》 f2 ，当负载RL 变化时，可以调节开关（Q1 、Q2 ） 频率在f1 和f2 间变化，使品质因数达到最大。 利用这种特性，可以方便地实现脉冲频率模式PFM（ Pul se Frequency Model） ，品质因数表示如下：

　　LLC 谐振网络需要两个磁性元件Lr 和Lm。

　　然而，考虑到高频变压器实际结构，可以把磁性元件Lr 和Lm 集成在一个变压器内，利用变压器的漏感作为Lr ， 利用变压器的磁化电感作为Lm ， 这样一来，可以大大减少磁性元件数目。 在设计时，只要重点设计变压器的漏感与变压器磁化电感即可。 因此， 为增加漏感， 需要在变压器中加入适当的气隙，并且控制变压器原、副边的绕线方式可以提高品质因素。

1. 2 LLC 的数学模型分析

　　通过上述分析，由图1 的LLC 谐振变换器的原理图得其LLC 等效模型如图2 所示。

　　图2 　LLC 原理图的等效模型图

　　电压传递函数为：

　　其中：

　　Q 为品质因数。

　　利用MA TIAB 对该模型进行仿真，可以初步分析出其工作特性如图3 所示。 其中f s 为启动频率（ Start Frequency） f r 为谐振频率（ ResonantFrequency）。

　　图3 LLC 谐振工作特性。

　　从图3 中可以看到，在整个频率围内，既有降压的工作区域（M 《 1） ，也有升压的工作区域（ M 》1） ，此LLC 谐振有着较大的应用范围。 在轻负载时，工作频率逐渐升高， 工作在降压区域内； 而在重负载时， 工作频率逐渐降低， 工作在升压区域内。 由图3 可知， 串联谐振的工作区域应该为f s / f r 》 1 ，才能工作在ZVS 的状态。 在不同负载下，为获得ZVS 的工作条件， 只要使之工作在f s / f r 》 1的右侧即可。 而LLC 谐振不仅仅局限于f s / f r 》 1 的区域， 在某些负载下可以工作在f s / f r 《 1区域。 同样可以获得零电压转换的工作状况。 并且与串联谐振相比，在不同负载时的频率变化范围更小。

1. 3 LLC 谐振变换器的时序分析

　　LLC 谐振变换器由两个主开关管Q1 和Q2 构成，其驱动信号是占空比固定为0. 5 的互补驱动信号。 为了保证原边功率MOS 管的ZVS ， 副边二极管的ZCS（Zero Current Switch） 都可以实现，工作频率在f 2 《 f ≤f 1 时， 其工作波形图如图4 所示。 从图中可以看出LLC 变换器工作在半个周期内可以分为三个工作模式。

模式1 （t0 - t1）：两个开