如何更高效地開發(fā)AC-AC自動電壓調(diào)節(jié)器

如何更高效地開發(fā)AC-AC自動電壓調(diào)節(jié)器？

自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）通常也稱為穩(wěn)壓器，它通過補(bǔ)償輸入電壓的波動來調(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。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，以在電力需求波動期間穩(wěn)定電壓電平。

對電力公司而言，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期規(guī)劃、電力設(shè)備維護(hù)并在配電線路上部署穩(wěn)壓器。然而，這項(xiàng)任務(wù)頗具挑戰(zhàn)性，尤其是對巴基斯坦、印度和孟加拉國等許多南亞國家。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，常會導(dǎo)致間歇性斷電和其它類型的斷電。因此，終端用戶可能會面臨電源線電壓波動的問題。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)制來控制抽頭的位置，切換適當(dāng)?shù)睦^電器來調(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ASIC（專用集成電路）來實(shí)現(xiàn)類似的功能和特性。它不僅可以降低成本與空間需求，而且無需對MCU進(jìn)行編程。

本文中，我們將闡述開發(fā)人員如何使用GreenPAK SLG46537V IC等可編程ASIC來開發(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)。

● 提供欠壓和過壓保護(hù)功能。當(dāng)AVR輸出電壓低于180V（欠壓）或高于255V（過壓）時(shí)，輸出電源斷開。

● 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、過壓或欠壓情況。

請注意，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。 買電子元器件現(xiàn)貨上唯樣商城

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（見第2節(jié)）驅(qū)動所需的繼電器（通過BJT）動作。IC的數(shù)字輸出同時(shí)還用于切換LED指示燈，以通知用戶AVR的正常和過壓/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

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）用于在欠壓或過壓情況下斷開AVR輸出，從而防止對AVR輸出端連接的負(fù)載造成任何損壞。

GreenPAK邏輯

通過GreenPAK Designer軟件（免費(fèi)提供）創(chuàng)建的完整設(shè)計(jì)文件，請復(fù)制以下鏈接到瀏覽器中打開下載：

https://www.dialog-semiconductor.com/an-cm-314-gp

圖3：GreenPAK設(shè)計(jì)原理圖（圖片來源：BarqEE）

圖3為GreenPAK的設(shè)計(jì)原理圖。Vsense通過引腳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則用于過壓和欠壓檢測。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。比較器的參考電壓設(shè)置滿足第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

為確保機(jī)電繼電器的正常工作，通過ASM模塊反饋中的延遲來控制突發(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)重要特性是在過壓和欠壓條件下提供保護(hù)。比較器ACMP2和ACMP3分別用于過壓和欠壓情況。ACMP2的輸出和ACMP3的反相輸出傳遞到延遲模塊DLY0和DLY1，以確保不會檢測到任何瞬態(tài)的過壓和欠壓情況。隨后，DLY0和DLY1的輸出被饋送到LUT模塊，由該模塊來決定它是正常、過壓還是欠壓情況。在正常情況下，RLY4保持通電，且AVR調(diào)節(jié)電壓；否則將無法調(diào)節(jié)電壓且RLY4跳閘。另外，GreenPAK還為用戶提供正常、過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)示波器來記錄輸入和輸出電壓。

圖7：PCB電路（圖片來源：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：趨近過壓（圖片來源：BarqEE）

圖11：過壓條件（圖片來源：BarqEE）

圖10描繪了趨近過壓條件時(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顯示了過壓情況?？梢钥闯鲚敵鲭妷阂洋E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（圖片來源：BarqEE）

圖13：欠壓條件（圖片來源：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?？梢杂^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。

審核編輯：湯梓紅