LLC半橋蓄電池充電機制作方案
2017-7-31 10:36:34??????點擊：
出來工作也快一年（到7月份）了，在公司也沒有什么項目做，上班除了學(xué)習(xí)還是學(xué)習(xí)，偶爾幫忙搞搞測試。當(dāng)然了，像我這種愛動手的人是閑不住的，所以只能自己找事情做了。由于家里在使用12V的充電機充電蓄電池，所以準(zhǔn)備做一款充電機。
其設(shè)計規(guī)格如下：
輸入：90~264Vac(50~60Hz)
充電機輸出：10~14Vdc@20A（恒壓&恒流）
目標(biāo)效率：92%
初定充電機充電方案如下：
主功率: 采用UCC28019+L6599+TEA1995+AP4310
輔助充電機：采用SD6863+TL431
這里要說明一下，為什么把標(biāo)題定義為“經(jīng)典的充電機充電電路LLC半橋充電機制作”，主要是因為采用L6599作為主控；我也是剛畢業(yè)不久的新手，接觸充電機充電電路LLC也不久，了解的也不是很多；但是，有關(guān)充電機充電電路LLC的相關(guān)資料，更多的是以L6599（L6598也有）作為講解，所以稱為“經(jīng)典充電機充電電路LLC”；當(dāng)然了，也可以用SG3525、TL494來制作充電機充電電路LLC，相對復(fù)雜了些，要有一定的功底才能搞得定。
其實，做這個充電機的想法，在年前就有了，就是一直沒有對手而已，現(xiàn)在趁著“我是工程師第三季”這活動，準(zhǔn)備制作；當(dāng)然了，還是那句話“個人認(rèn)為，要制作一款充電機，首先的有個外殼”；這樣的話，才能有個約束，也就是充電機充電PCB的大小，不然板子的大小不好確定，再一個就是，做好了，再去找外殼，是比較費勁的。
在公司找到的一個1U的通信充電機外殼，其規(guī)格是15cm*12.5cm*4cm；原來該外殼
的充電機是225W的功率，這次用來做280W應(yīng)該也還可以，到時候以實測溫升為準(zhǔn)。
第二版的充電機充電PCB圖，這次保留了原檔，和充電機充電PCB板子一一對應(yīng)。
AC輸入部分，采用了兩級差模、共模濾波，emi調(diào)試的時候會好一點；壓敏
電阻、熱敏電阻以及放電電阻都加上了，同時放電管也加上了；唯一不足的是，
熱敏電阻那沒有加繼電器，看后續(xù)是否加入。
PFC部分，采用UCC28019為主控CCM模式的PFC；用了兩個TO-220封裝MOS并聯(lián)，于是采用了一級圖騰擴流推MOS；大電容采用了180UF/450V，做280W有余了；主電感準(zhǔn)備使用磁環(huán)繞制。
輔助充電機部分，采用士蘭微公司的SD6863，該芯片集成了MOS管，做12W沒有問題；兩路充電機輸出，一路給原邊供電，一路給副邊供電；原邊采用了性線穩(wěn)壓。
該充電機充電電路設(shè)計以L6599為主控搭建的充電機充電電路LLC半橋充電機充電電路設(shè)計；L6599使用的是標(biāo)準(zhǔn)的配置充電機充電電路設(shè)計；次級充電機輸出采用了小板直插式的SR充電機充電電路設(shè)計；等后續(xù)調(diào)試板子的時候在慢慢聊其工作原理及現(xiàn)象和波形圖。
該充電機充電電路設(shè)計采用AP4310設(shè)計的一個恒壓恒流雙環(huán)反饋；主要利用了AP4310集成基準(zhǔn)和兩個運放，這樣相對TL431和LM358來搭建，充電機充電電路設(shè)計就有所簡化了；其原理就不多說了，就是充電機充電電壓環(huán)一個運放，電流環(huán)一個運放。
該風(fēng)扇控制充電機充電電路設(shè)計比較簡單了；采用一個PNP管和一個NTC搭建的一個控制充電機充電電路設(shè)計；其工作原理是：在TR3受溫度影響時，其阻值下降，使Q4的B基充電機充電電壓下降，使Q4開通，這樣風(fēng)扇就開始工作。
漏了同步整流的原理圖了，在這里補上；TEA1995每邊驅(qū)動3個MOS。
充電機充電PCB在2月中旬就已經(jīng)畫完了第一版（V_2.1_充電機充電PCB）了；現(xiàn)在才發(fā)帖，遺憾的是，源充電機充電PCB工程已經(jīng)改動了，所以在這只能貼出當(dāng)時打樣導(dǎo)出來的Geb文件了，有些模糊，將就看看吧；下一版就有高清圖了。充電機充電PCB的大小為12.6*11.8cm，是根據(jù)外殼來定的板形；從布局來看，左下角是次級；左上角是輔助充電機；上邊是EMI；右邊是PFC；中間是充電機充電電路LLC部分。
這兩個圖層分別是頂層和頂層絲印
這兩個圖層分別是低層和低層絲印
目前看到的這個板子是SR小板，充電機輸出同步整流小板；TEA1995為主控，每邊3個MOS并聯(lián)。
板子大小4*3.4cm；同樣采用雙面板設(shè)計。
主功率板；相比上面發(fā)的Geb文件看起來要清晰、好看多了；做的板子質(zhì)量不錯，遺憾的是元器件封裝外框的線用的太細（0.15mm）了，所以看起來不怎么清晰；下一版準(zhǔn)備改為0.2mm的。
這是正反面的合照。
這是同步整流的小板；遺憾的是小板的封裝用的有點大了，還有就是金手指也大了點。
準(zhǔn)備開始焊接板子，新從貼片焊起；需要一邊找元器件一邊焊接，所以這是一個漫長的過程，是比較需要耐心的。
一晚上兩個多小時就焊了這么多，眼睛都看花了。
經(jīng)過又一次的折騰，終于把貼片搞定了；這是在洗了板子后拍的照片，看著干凈；接下來就是焊插針了。
插件（有的采用拆機件）也基本焊接完畢，就差一個變壓器了；周末抽空繞一個變壓器；想到變壓器就是一個頭疼的問題，所以決定先計算一遍，再進行繞制，這樣心里才有數(shù)，免得走彎路。
這是同步整流小板；采用TEA1995為主控，低邊整流，每邊采用3個MOS并聯(lián)。
不同角度來一張，看著還不錯，就是不知道能不能開機；開機先不說，開機會不會炸機，這是個問題；決定有空先把PFC和輔助充電機調(diào)下先，變壓器的繞制先放放。
在還沒有上電開機前，還是先來回顧一下理論和芯片資料吧，這樣調(diào)起機來，才心里有數(shù)，才會得心應(yīng)手，不然一頭霧水。
UCC28019-是一款8引腳的連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）控制器，該器件具有寬泛的通用輸入范圍，適用于100W至2kW以上的功率變換器。有源功率因數(shù)校正控制器UCC28019使用Boost拓撲結(jié)構(gòu)，工作于電流連續(xù)導(dǎo)電模式?？梢酝ㄟ^調(diào)整VSENSE腳的充電機充電電壓低于0.77V而使系統(tǒng)工作于低功耗待機模式。開關(guān)頻率可以控制在±5%的精度，可以為外部開關(guān)管提供快速1.5A峰值柵極驅(qū)動電流。
(1) UCC28019的特點：
① 不需要對電網(wǎng)充電機充電電壓進行檢測，減少了外圍元器件；
② 寬范圍的通用交流輸入充電機充電電壓；
③ 65kHz的固定開關(guān)頻率；
④ 最大占空比達97%；
⑤ 充電機輸出過壓、欠壓保護，輸入掉電保護；
⑥ 單周峰值電流限制；
⑦ 開環(huán)保護；
⑧ 低功耗待機模式；
要注意的是6腳（VSENSE）上的電容要注意一下取值，會影響到充電機充電電壓的穩(wěn)定；還有就是其基準(zhǔn)是5V，而不是2.5V，計算的時候要注意一下；還有就是3腳（ISENSE）上串聯(lián)的電阻，最好使用推薦的220歐。
L6599，ST公司推出的一款經(jīng)典的充電機充電電路LLC控制芯片；內(nèi)部集成了自舉充電機充電電路設(shè)計；要注意一下的是驅(qū)動電流的大小。
L6599的內(nèi)部框圖，在設(shè)計時要注意一下芯片的4/5腳以及1腳的配置，后續(xù)會詳細的計算該參數(shù)。
1.較寬的供電范圍：4.5V-38V
2.SO8 封裝里集成了二個同步整流控制器，適合充電機充電電路LLC 諧振變換器
3.適合多個充電機輸出繞組反激變換器同步整流
4.支持5V 操作，所以可以選擇邏輯電平的同步整流MOSFET 開關(guān)管
5.每個同步MOS 管采用的是差分輸入檢測，包括漏極和源極充電機充電電壓
TEA1995T 有額外的源極檢測引腳(SSA/SSB)。用來檢測同步整流MOSFET 的漏源極充電機充電電壓。源極檢測引腳必須盡量靠近MOSFET 的源極。這樣可以減少由于寄生電感以及大的di/dt 導(dǎo)致的充電機充電電壓誤差。
這是輔助充電機的變壓器，其型號是EE19；使用的是兩排引腳加寬的骨架，不是標(biāo)準(zhǔn)的那種。變壓器的參數(shù)設(shè)計，后續(xù)會更新；這里先把繞制的過程講解下。有什么不對的，還請各位師傅各抒己見。
首先繞制的是N1層，也就是屏蔽層；采用0.18mm*2雙線并繞，掛在5腳上開始；順時針密繞。
繞滿一層結(jié)束，然后包上1層的膠帶；要注意的是結(jié)束端是直接包扎在里面的，不要散出來了。
N2層，一次側(cè)主功率繞組；從3腳開始，4腳結(jié)束；N2層一共96Ts，分3層繞制，每層32Ts；順時針，密繞
N2繞組結(jié)束的時候，先貼一層膠布，不要剪短膠布，然后將結(jié)束線頭折回去，再貼一層膠布即可
N3層，VCC繞組22Ts；從1腳開始，采用0.25mm*2雙線并繞。
繞組結(jié)束后，也先貼一層膠布，然后將線折回去掛在2腳上，再貼一層膠布即可。
N4層，二次側(cè)，充電機輸出主功率繞組；采用0.6mm的三層絕緣線繞制20Ts；從變壓器頂部回繞，密繞。
要注意的是，開始繞的時候要把套管先套上去；繞完后，貼一層膠布。
N5層，一次側(cè)主繞組剩下的部分（采用三明治繞法）；從4腳開始，5腳結(jié)束。
將引腳整理好，并上錫焊接好。
使用電橋進行電感量的調(diào)節(jié)；電橋設(shè)置為1K/0.25V。
通過磨磁芯中柱，將電感量調(diào)節(jié)到1.4--1.5mH即可。
漏感測試，將二次側(cè)的繞組短路，測試即可。
繞的不怎么好，漏感稍微大了點；如果能控制在80uh之下就更好了。
剛接觸充電機充電電路LLC不久，還是先來學(xué)習(xí)下原理，然后再進行實戰(zhàn)；這樣調(diào)起機子來，會少走一些彎路，得心應(yīng)手一些。
一.充電機充電電路LLC半橋工作原理
1.充電機充電電路LLC串聯(lián)諧振原理簡圖
原理分析:
從上圖中，其原理是當(dāng)Q1導(dǎo)通時，通過激磁電感和諧振電感給以諧振方式給電容充電機，向副邊傳輸能量，此時DR1導(dǎo)通，當(dāng)諧振電流的變化等于諧振電流的值時，DR1零電流關(guān)斷，由于此時諧振回路為Lp、Lr、Cr組成的諧振回路，諧振電流變化很小，Q1會硬關(guān)斷，這時適當(dāng)?shù)倪x擇激磁電感的大小，會降低Q1的關(guān)斷損耗，在此同時，由于Q1關(guān)斷，Lp兩端充電機充電電壓反向，電流通過Q2體內(nèi)二極管流通，這時如果Q2導(dǎo)通，即MOS實現(xiàn)ZVS。Q1的ZVS類似上面的分析。
2.簡化模型如下:(Rac為副邊折算到原邊的阻抗）
通過對模型的簡化，我們可以推測充電機充電電壓增益的方程式：
二.充電機充電電路LLC參數(shù)設(shè)計與計算
充電機充電電路LLC設(shè)計主要關(guān)聯(lián)K、Q、n三個因素，下面展開其進行設(shè)計計算：
1.Q值的選取，由于在目前的設(shè)計中，Q值的選取沒有一個定性的設(shè)計值，建議選小于１;
2.K的選取，K值的經(jīng)驗值取3-6之間;
3.n的選取，依據(jù)公式：
充電機充電電路LLC工作狀態(tài)圖參照如下曲線：
初級采用0.7的三層絕緣線繞制39T。
盡量要繞制的緊和平整。
繞完后，包好膠帶。
先將次級的銅線準(zhǔn)備好；這里采用0.1*170的兩根為一段的整流充電機輸出，兩個整流MOS就要用到.1*170*4根；兩兩并繞，也就是4更并繞。
固定好開始端，就可以開始繞線了，設(shè)計是2T。
繞完3T后，先包2T膠帶，再進行線頭整理，避免散開。
然后將并繞的其中一根（一根等于0.1*170*2）和另外一根首尾相連作
為公共端，剩下的兩個線頭作為各自的整流前端。
整理引腳，然后進行上錫，進行電感量的測量和調(diào)試。
焊接一小段焊錫，主要是為了短接，用來測試漏感的。
主電感測試；根據(jù)設(shè)計電感量在650UH左右；通過磨磁芯中柱來調(diào)節(jié)感值。
漏感測試；計算的漏感是115uh左右，由于工藝的問題，稍微偏大了一點；后續(xù)再做優(yōu)化。
由于焊接變壓器后沒有拍照了，就來這張測試時候拍的照片吧；這是安裝完成后的裸板；部分采用拆機件。
焊接好變壓器和同步整流小板后，就開始給板子上電測試了；最激動人心的
時刻到了，兩眼睛死死的盯著功率計，在按下開關(guān)（90Vac）的時候，看到功率
計功率突然出現(xiàn)大功率，馬上就關(guān)掉了；看看了看板子，量了下，也沒有發(fā)現(xiàn)
什么異常；對大電容放電，發(fā)現(xiàn)時間持續(xù)的比較久，說明充電機充電電壓充的夠高了；于是
再次上電，其實功率大了一下就小下去了，原來是在給BULK電容充電機。
先說明一下，在最開始上電時，充電機充電電路LLC的芯片是沒有供電的；先測試PFC和輔助
充電機部分，PFC部分沒有什么問題；于是就把充電機充電電路LLC芯片供電接上，再次開機；預(yù)料之外的事情發(fā)生了，并沒有充電機輸出。
于是就有了上面這張圖；將同步整流拆除，換成二極管，開機故障依舊，說明
有可能故障不在這；繼續(xù)找對策，將AP4310供電拆掉，直接找來一個適配器的電
源，采用它的TL431反饋部分；上電開機，嘿，有充電機輸出了；基本可以判斷，是反饋部分的問題了。
通過對原理圖分析，發(fā)現(xiàn)少了紅色圈那的電阻（第一版的原理圖是沒有畫
這個電阻的）；都怪太粗心大意了，對AP4310的外圍不太熟悉，所以在設(shè)計
充電機充電電路設(shè)計之前，一定要弄懂，讀透資料，這樣才不會走一些彎路；加上這個電阻后，
開機就有充電機輸出了；其原因是，AP4310里面集成2.5v的基準(zhǔn)，在啟動的瞬間，只
有給該腳一個電流，其基準(zhǔn)才能建立；所以，沒有這個電阻開機沒有充電機輸出就是
該基準(zhǔn)沒有建立。
直接在VCC上焊接一個貼片電阻，飛線過去（圖中黃色線）。
將二極管換成40100的兩個并聯(lián)；繼續(xù)帶載調(diào)試。
帶載15A，充電機輸出充電機充電電壓下掉0.3V左右，還是比較正常的；但是，再繼續(xù)加載就不正常了。
帶載到16A時就開始一直往下掉了，17A的時候就掉到13.4V了。
在繼續(xù)加載到20A的時候就下掉到13.4v了；經(jīng)過初步測量判斷，是變壓器的匝比不怎么合適，將PFC充電機充電電壓上調(diào)20V，滿載20A的時候充電機充電電壓在13.6V左右。后續(xù)還要優(yōu)化諧振腔。
第二版的充電機充電PCB回來了，其主要變化是將SR小板取消了，直接集成到主板上來了；
這樣既降低了阻抗，也提高了可靠性；同時也降低了充電機充電PCB打樣的成本費；SR部分
的MOS采用TO-220封裝的兩個并聯(lián)使用。
拿到板子后，就開始焊接貼片了；由于懶得去找元件，就將第一版上的元件
移了過來，所以第一版的機子基本沒有了。
焊接用了兩個旁晚，白天上班，只有晚上又時間；目前就還有變壓器和諧振
電容沒有安裝了，因為這兩個需要優(yōu)化一下參數(shù)；也就是漏感和諧振電容的搭配，目前變壓器的計算及設(shè)計也在敲公式寫了，后續(xù)會放出來，和大家一起分享，畢竟這也是我學(xué)習(xí)充電機充電電路LLC的一部分，還希望大家多多指導(dǎo)。
最近有點忙，所以都沒有怎么更新了，今晚把變壓器焊接好了，明天
找個機會上電調(diào)試看看；這次諧振電容采用了33nF(333)，漏感在70uH左右，
希望有所改善。
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