便携式监控锂电充电器

最新推荐文章于 2025-11-17 16:47:17 发布

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#LLC转换器 # PFM # 手机监控 # 零电压开关 # 电池充电

一种具有便携式监控功能的锂离子电池充电器

摘要

本文提出了一种具有次级中心抽头整流电路的半桥 LLC转换器，以实现高功率输出。采用输出负载模拟器来模拟电池充电情况，包括恒压（CV）模式和最大输出条件。通过脉冲频率调制（PFM）技术，在不同负载条件下实现了恒定输出电压。此外，增加了传感元件以检测输出负载值。用户可以通过手机立即监控输出电压和电流。

一、引言

如今，铅酸电池或锂电池常用于交通运输。通过电池组的串联和并联连接，可达到所需的输出电压和输出容量。
本文设计基于48V电池充电电压、输出功率为500瓦的常用条件[1]。通常情况下，LLC转换器的初级侧主要采用全桥或半桥拓扑结构。为了在高输出功率应用中减少电路元器件数量以获得更高效率，通常选择半桥方案。此外，通过PFM技术实现具有恒定输出电压的LLC谐振电路。为了在此电路中实现零电压开关（ZVS）[2]，开关频率成为一个关键因素。对于输出端的模数转换（ADC）采样，需要添加电压和电流传感元件，如分压电路和霍尔效应传感器。将数据传输至微控制器（MCU）并完成编译代码后，即可获得相关输出参数。通过采用射频（RF）通信技术进行数据传输与接收，可通过应用程序（APP）软件在智能手机上实时读取数据。整体系统架构如图1所示。

示意图0

II. 半桥LLC转换器设计

图2所示的LLC谐振转换器在初级侧采用半桥拓扑结构，在次级侧采用中心抽头整流电路。Q1和Q2作为初级侧的半桥开关使用。谐振电容Cr、漏感Lr以及励磁电感Lm构成一个串联谐振电路。这些参数决定了电路的Q值和K值，从而影响频率响应和电压增益曲线。必须注意，在电压增益曲线中，当频率比ωr为1时，电路处于最稳定的状态。结合上述描述及该方案中的电压增益，可适当地确定工作频率。

示意图1

根据上述描述，图3是频率比与电压增益的关系曲线[3]。该曲线将图形分为三个区域。区间1和2为LLC谐振电路电感性工作的区域，此时电流滞后于电压，使得Q1和Q2实现ZVS功能。图4显示了满载条件下Q1信号的ZVS实验波形以及谐振电流。可以看出，开关在Vds降至0V后导通。ZVS的实现有助于降低开关损耗。经过测量与实验，不同负载下的效率曲线如图5所示。该曲线由公式（1）推导得出。

$$
= \frac{1}{\sqrt{1 + \frac{L_m}{L_r} \left(1 - \left(\frac{\omega_s}{\omega_r}\right)^2\right)^2 + Q^2 \left(\frac{\omega_s}{\omega_r} - \frac{\omega_r}{\omega_s}\right)^2}} \tag{1}
$$

示意图2