【導(dǎo)讀】自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）通常也稱(chēng)為穩(wěn)壓器，它通過(guò)補(bǔ)償輸入電壓的波動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)供電電壓電平，在許多工業(yè)和住宅應(yīng)用中都很常見(jiàn)。例如，AVR被用于船舶發(fā)電機(jī)組、應(yīng)急電源和石油鉆井平臺(tái)，以在電力需求波動(dòng)期間穩(wěn)定電壓電平。
對(duì)電力公司而言，配電網(wǎng)絡(luò)的電壓調(diào)節(jié)非常關(guān)鍵，因?yàn)檫@決定了提供給最終消費(fèi)者的電力服務(wù)質(zhì)量。為此，公共事業(yè)企業(yè)須確保進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩唐诤烷L(zhǎng)期規(guī)劃、電力設(shè)備維護(hù)并在配電線(xiàn)路上部署穩(wěn)壓器。然而，這項(xiàng)任務(wù)頗具挑戰(zhàn)性，尤其是對(duì)巴基斯坦、印度和孟加拉國(guó)等許多南亞國(guó)家。由于竊電和電力不足等原因，這些地區(qū)的配電系統(tǒng)非常脆弱，常會(huì)導(dǎo)致間歇性斷電和其它類(lèi)型的斷電。因此，終端用戶(hù)可能會(huì)面臨電源線(xiàn)電壓波動(dòng)的問(wèn)題。為確保空調(diào)、冰箱和電視等貴重設(shè)備的安全性和正常運(yùn)行，采用小型便攜式AVR非常普遍。AVR設(shè)備易于使用，通常在一個(gè)預(yù)定的電壓水平范圍內(nèi)運(yùn)行（例如150V至240V，或90V至280V）。
從功能上講，AVR通常使用抽頭自耦變壓器將交流輸出保持在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)。它利用反饋機(jī)制來(lái)控制抽頭的位置，切換適當(dāng)?shù)睦^電器來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。AVR通常由兩個(gè)單元組成：傳感單元和調(diào)節(jié)單元。傳感單元的工作是確定穩(wěn)壓器的輸入和輸出電壓水平，而調(diào)節(jié)單元負(fù)責(zé)將輸出電壓保持在可接受的預(yù)定范圍之內(nèi)。
傳統(tǒng)上，基于繼電器的AVR設(shè)計(jì)一般采用運(yùn)算放大器IC與模擬比較器相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。而在最新的數(shù)字控制商用AVR中，采用8位微控制器（MCU）來(lái)進(jìn)行控制的設(shè)計(jì)顯著增多。本文介紹的方法使用Dialog半導(dǎo)體公司的低成本GreenPAK可編程混合信號(hào)ASIC（專(zhuān)用集成電路）來(lái)實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的功能和特性。它不僅可以降低成本與空間需求，而且無(wú)需對(duì)MCU進(jìn)行編程。
本文中，我們將闡述開(kāi)發(fā)人員如何使用GreenPAK SLG46537V IC等可編程ASIC來(lái)開(kāi)發(fā)AVR，并且將詳細(xì)描述整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和GreenPAK設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證這種AVR的可行性和可操作性，我們也將展示通過(guò)原型獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖1：AVR設(shè)計(jì)的功能框圖（圖片來(lái)源：BarqEE）
該AVR設(shè)計(jì)的功能框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要基于反饋機(jī)制。AVR輸出端的交流電壓經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)降低到SLG46537V IC的工作DC電壓限制之內(nèi)。根據(jù)感應(yīng)到的電壓，由IC驅(qū)動(dòng)適當(dāng)?shù)睦^電器選擇自耦變壓器上合適的抽頭繞組。
AVR的規(guī)格取決于特定的應(yīng)用。本文描述的AVR具有以下特性：
● 輸入電壓范圍為125V至240V。
● 輸出電壓在200V至240V之間調(diào)節(jié)。
● 提供欠壓和過(guò)壓保護(hù)功能。當(dāng)AVR輸出電壓低于180V（欠壓）或高于255V（過(guò)壓）時(shí)，輸出電源斷開(kāi)。
● 設(shè)計(jì)中使用了四個(gè)機(jī)電繼電器。
● 自耦變壓器用于升壓，它具有0V零線(xiàn)連接和四個(gè)額外的抽頭（135V、174V、196V和220V）。
● 輸出波形和頻率與輸入相同。
● AVR（控制器）設(shè)計(jì)成本低廉。
● 提供LED指示燈用于指示正常、過(guò)壓或欠壓情況。
請(qǐng)注意，這些參數(shù)可任意設(shè)置。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，可以在GreenPAK IC配置中輕松調(diào)整給定的參數(shù)。
功能設(shè)計(jì)
圖2：AVR設(shè)計(jì)建議（圖片來(lái)源：BarqEE）
圖2顯示了采用SLG46537V IC的AVR功能設(shè)計(jì)建議。
電源調(diào)節(jié)
電源調(diào)節(jié)模塊為GreenPAK IC供電。它以帶電交流電作為輸入并將其降至12V，然后采用合適的穩(wěn)壓器IC將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為5VDC。
交流電壓感應(yīng)
電壓感應(yīng)部分使用二極管和電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸出交流電壓（Live_out）進(jìn)行降壓和整流，以獲得低壓直流電平。然后，采用輸出濾波器（電解電容器）來(lái)最小化紋波并獲得恒定的平滑直流電壓。再利用旁路電容器來(lái)濾除瞬變。最后獲得濾波后的直流電壓（Vsense）。為確保DC電壓電平與該芯片兼容，采用的降壓因子約為0.01（即200VAC ? 2VDC）。
GreenPAK
GreenPAK IC以Vsense為輸入，并基于GreenPAK邏輯（見(jiàn)第2節(jié)）驅(qū)動(dòng)所需的繼電器（通過(guò)BJT）動(dòng)作。IC的數(shù)字輸出同時(shí)還用于切換LED指示燈，以通知用戶(hù)AVR的正常和過(guò)壓/欠壓狀態(tài)。GreenPAK IC原理圖及其IO連接如圖2所示，供參考。
繼電器致動(dòng)
三個(gè)機(jī)電繼電器（RL1、RL2和RL3）被用于在自耦變壓器的135V、174V、196V和220V抽頭之間切換輸入交流電壓（Live_in）連接。第四個(gè)機(jī)電繼電器（RL4）用于在欠壓或過(guò)壓情況下斷開(kāi)AVR輸出，從而防止對(duì)AVR輸出端連接的負(fù)載造成任何損壞。
GreenPAK邏輯
通過(guò)GreenPAK Designer軟件（免費(fèi)提供）創(chuàng)建的完整設(shè)計(jì)文件，請(qǐng)復(fù)制以下鏈接到瀏覽器中打開(kāi)下載：
https://www.dialog-semiconductor.com/an-cm-314-gp
圖3：GreenPAK設(shè)計(jì)原理圖（圖片來(lái)源：BarqEE）
圖3為GreenPAK的設(shè)計(jì)原理圖。Vsense通過(guò)引腳6被饋送到不同的比較器。在AVR的正常工作范圍內(nèi)，通過(guò)模擬比較器ACMP0和ACMP1進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，而ACMP2和ACMP3則用于過(guò)壓和欠壓檢測(cè)。由于比較器的最大內(nèi)部參考電壓可以設(shè)置為不大于1.2V，因此使用0.33的增益來(lái)確保輸出電壓可以在不同范圍內(nèi)進(jìn)行比較和正確分類(lèi)。比較器的參考電壓設(shè)置滿(mǎn)足第1.2節(jié)中提到的規(guī)格要求。異步狀態(tài)機(jī)（ASM）模塊則用于建立有限狀態(tài)機(jī)以進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。
圖4：有限狀態(tài)機(jī)（圖片來(lái)源：BarqEE）
圖4描述了用到的五種狀態(tài)。在每個(gè)狀態(tài)下，繼電器1、2和3使用ASM分別輸出OUT3、OUT2和OUT1，從而選擇相關(guān)自耦變壓器抽頭，以及相應(yīng)的自耦變壓器匝數(shù)比。從狀態(tài)0變化到狀態(tài)4會(huì)導(dǎo)致自耦變壓器匝數(shù)比逐步減小。表1顯示了每個(gè)狀態(tài)與匝數(shù)比的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
表1：AT匝數(shù)比與每個(gè)狀態(tài)之間的關(guān)系（來(lái)源：BarqEE）
如果Live_out大于上限（約240VAC，由ACMP1的參考設(shè)置）或小于下限（約200VAC，由ACMP0的參考設(shè)置），則通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。如果任意狀態(tài)都不能產(chǎn)生所需的穩(wěn)壓輸出電壓電平（200V<live_out<240V），則狀態(tài)（自耦變壓器匝數(shù)比）發(fā)生變化。特別是當(dāng)live_out大于上限，會(huì)發(fā)生向更高狀態(tài)的轉(zhuǎn)換（降低自耦變壓器匝數(shù)比），且持續(xù)至達(dá)到所需的電壓電平。類(lèi)似地，小于下限的live_out，會(huì)產(chǎn)生向較低狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
為確保機(jī)電繼電器的正常工作，通過(guò)ASM模塊反饋中的延遲來(lái)控制突發(fā)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。為此，ASM模塊的OUT3、OUT4、OUT5、OUT6和OUT7輸出分別饋送到延遲模塊DLY2、DLY3、DLY4、DLY5和DLY6。圖5描述了ASM的RAM模塊配置，其中顯示了每個(gè)二進(jìn)制輸出OUT0至OUT7的狀態(tài)。
圖5：RAM模塊（圖片來(lái)源：BarqEE）
在延遲中設(shè)置的預(yù)定義時(shí)間段tp（約0.5s）內(nèi)，狀態(tài)會(huì)保持。只有當(dāng)Live_out保持在所需范圍外至少tp時(shí)間之后才會(huì)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換。延遲的輸出與ACMP0和ACMP1的輸出一起反饋到不同的LUT（和AND模塊），如圖4所示。這確保了狀態(tài)轉(zhuǎn)換僅在tp時(shí)間段過(guò)去之后且Live_out超出所需范圍時(shí)才發(fā)生。特定的狀態(tài)轉(zhuǎn)換取決于ACMP0和ACMP1的輸出。例如，如果在tp時(shí)間段內(nèi)狀態(tài)1保持，則不可能轉(zhuǎn)換到狀態(tài)0和狀態(tài)2。如果已達(dá)到所需的電壓電平，則保持狀態(tài)1。否則，根據(jù)Live_out大于上限還是小于下限，會(huì)發(fā)生到狀態(tài)0和狀態(tài)2的轉(zhuǎn)換。
所建議的GreenPAK設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要特性是在過(guò)壓和欠壓條件下提供保護(hù)。比較器ACMP2和ACMP3分別用于過(guò)壓和欠壓情況。ACMP2的輸出和ACMP3的反相輸出傳遞到延遲模塊DLY0和DLY1，以確保不會(huì)檢測(cè)到任何瞬態(tài)的過(guò)壓和欠壓情況。隨后，DLY0和DLY1的輸出被饋送到LUT模塊，由該模塊來(lái)決定它是正常、過(guò)壓還是欠壓情況。在正常情況下，RLY4保持通電，且AVR調(diào)節(jié)電壓；否則將無(wú)法調(diào)節(jié)電壓且RLY4跳閘。另外，GreenPAK還為用戶(hù)提供正常、過(guò)壓和欠壓條件的指示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)硬件
圖6：實(shí)驗(yàn)裝置（圖片來(lái)源：BarqEE）
圖6顯示了設(shè)計(jì)原型的實(shí)驗(yàn)裝置。Variac用于控制提供給AVR的輸入交流電壓。AVR包含一個(gè)自耦變壓器和一個(gè)包含控制電路的PCB。
GreenPAK開(kāi)發(fā)板連接到PCB以控制機(jī)電繼電器。同時(shí)用一個(gè)示波器來(lái)記錄輸入和輸出電壓。
圖7：PCB電路（圖片來(lái)源：BarqEE）
圖7是安裝了機(jī)電繼電器、BJT和其它輔助組件的PCB電路。
AVR性能數(shù)據(jù)
AVR的性能數(shù)據(jù)總結(jié)如下：
● 負(fù)載范圍：450VA-550VA
● 輸入電壓范圍：125V-240V
● 輸出電壓：200V-240V
● 頻率：50Hz-60Hz
● 絕緣電阻：>5MΩ
● 響應(yīng)時(shí)間：10毫秒-15毫秒
● 變壓器溫升：65°C-70°C（1.2倍滿(mǎn)額定負(fù)載）
● 系統(tǒng)效率：>95%
● 環(huán)境溫度：0℃-40℃
示波器輸出
以下圖片均為實(shí)驗(yàn)中的示波器記錄。黃色和藍(lán)色標(biāo)記分別表示輸入和輸出電壓。
圖8：量化實(shí)驗(yàn)總結(jié)（圖片來(lái)源：BarqEE）
圖8描述了AVR正常功能實(shí)驗(yàn)結(jié)果的量化總結(jié)。在從低到高的電壓范圍內(nèi)掃描輸入電壓并觀察相應(yīng)的輸出電壓，可以看到IC成功地驅(qū)動(dòng)繼電器改變了自耦變壓器抽頭，將匝數(shù)比從1.63降為1，實(shí)現(xiàn)了電壓調(diào)節(jié)。
圖9：正常功能（圖片來(lái)源：BarqEE）
圖9顯示了AVR的正常功能，它成功確定并選擇了匝數(shù)比為1.63的抽頭。
圖10：趨近過(guò)壓（圖片來(lái)源：BarqEE）
圖11：過(guò)壓條件（圖片來(lái)源：BarqEE）
圖10描繪了趨近過(guò)壓條件時(shí)的輸入和輸出電壓波形。兩者具有相似的波形，因?yàn)槌轭^匝數(shù)比均為1。
圖11顯示了過(guò)壓情況。可以看出輸出電壓已驟降，因?yàn)锳VR已成功將RL4跳閘以進(jìn)行保護(hù)。
圖12：趨近欠壓（圖片來(lái)源：BarqEE）
圖13：欠壓條件（圖片來(lái)源：BarqEE）
圖12描繪了趨近欠壓條件時(shí)的輸入和輸出電壓波形。在這種情況下，AVR選擇了最大匝數(shù)比（1.63）抽頭。
圖13顯示了欠壓條件的情況。可以觀察到輸出電壓因RL4跳閘保護(hù)而下降。
注意，當(dāng)AVR調(diào)節(jié)電壓時(shí)，輸入和輸出電壓都沒(méi)有頻率變化或相移。
結(jié)論
AVR在住宅和工業(yè)應(yīng)用中很受歡迎，本文描述了如何使用可編程ASIC（例如GreenPAK SLG46537V IC）作為AVR的控制器。ASIC可以替代目前在這些應(yīng)用中使用的分立式元件和MCU。本文描述了SLG46537V在推薦的AVR設(shè)計(jì)中的作用，并詳細(xì)闡明了GreenPAK的設(shè)計(jì)。另外，還給出了AVR原型的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，以驗(yàn)證所推薦的設(shè)計(jì)。
可以看出，該電路具備足夠的能力作為控制器，尤其是應(yīng)用在住宅AVR中。因此，利用低成本IC設(shè)計(jì)AVR的控制單元同時(shí)減少PCB占板空間是可行的。而且，利用其它ASIC可為ASM提供更多狀態(tài)，我們還可以設(shè)計(jì)更復(fù)雜的控制器。
參考原文：Amore effective approach for developing AC-AC automatic voltage regulators
作者：Aamir Hussain Chughtai, Muhammad Saqib
本文由《EET電子工程專(zhuān)輯》編輯團(tuán)隊(duì)翻譯，責(zé)編：Amy Guan
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