如何更高效地开发AC－AC自动电压调节器？

作者：Aamir Hussain Chughtai, Muhammad Saqib

本文由《EET电子工程专辑》编辑团队翻译，责编：Amy Guan

自动电压调节器（AVR）通常也称为稳压器，它通过补偿输入电压的波动来调节供电电压电平，在许多工业和住宅应用中都很常见。例如，AVR被用于船舶发电机组、应急电源和石油钻井平台，以在电力需求波动期间稳定电压电平。

对电力公司而言，配电网络的电压调节非常关键，因为这决定了提供给最终消费者的电力服务质量。为此，公共事业企业须确保进行适当的短期和长期规划、电力设备维护并在配电线路上部署稳压器。然而，这项任务颇具挑战性，尤其是对巴基斯坦、印度和孟加拉国等许多南亚国家。由于窃电和电力不足等原因，这些地区的配电系统非常脆弱，常会导致间歇性断电和其它类型的断电。因此，终端用户可能会面临电源线电压波动的问题。为确保空调、冰箱和电视等贵重设备的安全性和正常运行，采用小型便携式AVR非常普遍。AVR设备易于使用，通常在一个预定的电压水平范围内运行（例如150V至240V，或90V至280V）。

从功能上讲，AVR通常使用抽头自耦变压器将交流输出保持在一个可接受的范围内。它利用反馈机制来控制抽头的位置，切换适当的继电器来调节输出电压。AVR通常由两个单元组成：传感单元和调节单元。传感单元的工作是确定稳压器的输入和输出电压水平，而调节单元负责将输出电压保持在可接受的预定范围之内。

传统上，基于继电器的AVR设计一般采用运算放大器IC与模拟比较器相结合来实现控制功能。而在最新的数字控制商用AVR中，采用8位微控制器（MCU）来进行控制的设计显著增多。本文介绍的方法使用Dialog半导体公司的低成本GreenPAK可编程混合信号ASIC（专用集成电路）来实现类似的功能和特性。它不仅可以降低成本与空间需求，而且无需对MCU进行编程。

本文中，我们将阐述开发人员如何使用GreenPAK SLG46537V IC等可编程ASIC来开发AVR，并且将详细描述整个系统设计和GreenPAK设计。为了验证这种AVR的可行性和可操作性，我们也将展示通过原型获得的实验结果。

系统设计

图1：AVR设计的功能框图（图片来源：BarqEE）

该AVR设计的功能框图如图1所示。该系统主要基于反馈机制。AVR输出端的交流电压经过调节降低到SLG46537V IC的工作DC电压限制之内。根据感应到的电压，由IC驱动适当的继电器选择自耦变压器上合适的抽头绕组。

AVR的规格取决于特定的应用。本文描述的AVR具有以下特性：

• 输入电压范围为125V至240V。
• 输出电压在200V至240V之间调节。
• 提供欠压和过压保护功能。当AVR输出电压低于180V（欠压）或高于255V（过压）时，输出电源断开。
• 设计中使用了四个机电继电器。
• 自耦变压器用于升压，它具有0V零线连接和四个额外的抽头（135V、174V、196V和220V）。
• 输出波形和频率与输入相同。
• AVR（控制器）设计成本低廉。
• 提供LED指示灯用于指示正常、过压或欠压情况。

请注意，这些参数可任意设置。根据实际应用，可以在GreenPAK IC配置中轻松调整给定的参数。

功能设计

图2：AVR设计建议（图片来源：BarqEE）

图2显示了采用SLG46537V IC的AVR功能设计建议。

电源调节

电源调节模块为GreenPAK IC供电。它以带电交流电作为输入并将其降至12V，然后采用合适的稳压器IC将其进一步转换为5VDC。

交流电压感应

电压感应部分使用二极管和电阻分压器网络对输出交流电压（Live_out）进行降压和整流，以获得低压直流电平。然后，采用输出滤波器（电解电容器）来最小化纹波并获得恒定的平滑直流电压。再利用旁路电容器来滤除瞬变。最后获得滤波后的直流电压（Vsense）。为确保DC电压电平与该芯片兼容，采用的降压因子约为0.01（即200VAC Û 2VDC）。

GreenPAK

GreenPAK IC以Vsense为输入，并基于GreenPAK逻辑（见第2节）驱动所需的继电器（通过BJT）动作。IC的数字输出同时还用于切换LED指示灯，以通知用户AVR的正常和过压/欠压状态。GreenPAK IC原理图及其IO连接如图2所示，供参考。

继电器致动

三个机电继电器（RL1、RL2和RL3）被用于在自耦变压器的135V、174V、196V和220V抽头之间切换输入交流电压（Live_in）连接。第四个机电继电器（RL4）用于在欠压或过压情况下断开AVR输出，从而防止对AVR输出端连接的负载造成任何损坏。

GreenPAK逻辑

通过GreenPAK Designer软件（免费提供）创建的完整设计文件，请复制以下链接到浏览器中打开下载：
https://www.dialog-semiconductor.com/an-cm-314-gp

图3：GreenPAK设计原理图（图片来源：BarqEE）

图3为GreenPAK的设计原理图。Vsense通过引脚6被馈送到不同的比较器。在AVR的正常工作范围内，通过模拟比较器ACMP0和ACMP1进行电压调节，而ACMP2和ACMP3则用于过压和欠压检测。由于比较器的最大内部参考电压可以设置为不大于1.2V，因此使用0.33的增益来确保输出电压可以在不同范围内进行比较和正确分类。比较器的参考电压设置满足第1.2节中提到的规格要求。异步状态机（ASM）模块则用于建立有限状态机以进行电压调节。

图4：有限状态机（图片来源：BarqEE）

图4描述了用到的五种状态。在每个状态下，继电器1、2和3使用ASM分别输出OUT3、OUT2和OUT1，从而选择相关自耦变压器抽头，以及相应的自耦变压器匝数比。从状态0变化到状态4会导致自耦变压器匝数比逐步减小。表1显示了每个状态与匝数比的对应关系。

表1：AT匝数比与每个状态之间的关系（来源：BarqEE）

如果Live_out大于上限（约240VAC，由ACMP1的参考设置）或小于下限（约200VAC，由ACMP0的参考设置），则通过状态转换实现电压调节。如果任意状态都不能产生所需的稳压输出电压电平（200V
为确保机电继电器的正常工作，通过ASM模块反馈中的延迟来控制突发的状态转换。为此，ASM模块的OUT3、OUT4、OUT5、OUT6和OUT7输出分别馈送到延迟模块DLY2、DLY3、DLY4、DLY5和DLY6。图5描述了ASM的RAM模块配置，其中显示了每个二进制输出OUT0至OUT7的状态。

图5：RAM模块（图片来源：BarqEE）

在延迟中设置的预定义时间段tp（约0.5s）内，状态会保持。只有当Live_out保持在所需范围外至少tp时间之后才会发生状态转换。延迟的输出与ACMP0和ACMP1的输出一起反馈到不同的LUT（和AND模块），如图4所示。这确保了状态转换仅在tp时间段过去之后且Live_out超出所需范围时才发生。特定的状态转换取决于ACMP0和ACMP1的输出。例如，如果在tp时间段内状态1保持，则不可能转换到状态0和状态2。如果已达到所需的电压电平，则保持状态1。否则，根据Live_out大于上限还是小于下限，会发生到状态0和状态2的转换。

所建议的GreenPAK设计的另一个重要特性是在过压和欠压条件下提供保护。比较器ACMP2和ACMP3分别用于过压和欠压情况。ACMP2的输出和ACMP3的反相输出传递到延迟模块DLY0和DLY1，以确保不会检测到任何瞬态的过压和欠压情况。随后，DLY0和DLY1的输出被馈送到LUT模块，由该模块来决定它是正常、过压还是欠压情况。在正常情况下，RLY4保持通电，且AVR调节电压；否则将无法调节电压且RLY4跳闸。另外，GreenPAK还为用户提供正常、过压和欠压条件的指示。

实验结果

实验硬件

图6：实验装置（图片来源：BarqEE）

图6显示了设计原型的实验装置。Variac用于控制提供给AVR的输入交流电压。AVR包含一个自耦变压器和一个包含控制电路的PCB。
GreenPAK开发板连接到PCB以控制机电继电器。同时用一个示波器来记录输入和输出电压。

图7：PCB电路（图片来源：BarqEE）

图7是安装了机电继电器、BJT和其它辅助组件的PCB电路。

AVR性能数据

AVR的性能数据总结如下：

• 负载范围：450VA-550VA
• 输入电压范围：125V-240V
• 输出电压：200V-240V
• 频率：50Hz-60Hz
• 绝缘电阻：>5MΩ
• 响应时间：10毫秒-15毫秒
• 变压器温升：65°C-70°C（1.2倍满额定负载）
• 系统效率：>95%
• 环境温度：0℃-40℃

示波器输出

以下图片均为实验中的示波器记录。黄色和蓝色标记分别表示输入和输出电压。

图8：量化实验总结（图片来源：BarqEE）

图8描述了AVR正常功能实验结果的量化总结。在从低到高的电压范围内扫描输入电压并观察相应的输出电压，可以看到IC成功地驱动继电器改变了自耦变压器抽头，将匝数比从1.63降为1，实现了电压调节。

图9：正常功能（图片来源：BarqEE）

图9显示了AVR的正常功能，它成功确定并选择了匝数比为1.63的抽头。

图10：趋近过压（图片来源：BarqEE）

图11：过压条件（图片来源：BarqEE）

图10描绘了趋近过压条件时的输入和输出电压波形。两者具有相似的波形，因为抽头匝数比均为1。
图11显示了过压情况。可以看出输出电压已骤降，因为AVR已成功将RL4跳闸以进行保护。

图12：趋近欠压（图片来源：BarqEE）


图13：欠压条件（图片来源：BarqEE）

图12描绘了趋近欠压条件时的输入和输出电压波形。在这种情况下，AVR选择了最大匝数比（1.63）抽头。

图13显示了欠压条件的情况。可以观察到输出电压因RL4跳闸保护而下降。

注意，当AVR调节电压时，输入和输出电压都没有频率变化或相移。

结论

AVR在住宅和工业应用中很受欢迎，本文描述了如何使用可编程ASIC（例如GreenPAK SLG46537V IC）作为AVR的控制器。ASIC可以替代目前在这些应用中使用的分立式元件和MCU。本文描述了SLG46537V在推荐的AVR设计中的作用，并详细阐明了GreenPAK的设计。另外，还给出了AVR原型的实验细节，以验证所推荐的设计。

可以看出，该电路具备足够的能力作为控制器，尤其是应用在住宅AVR中。因此，利用低成本IC设计AVR的控制单元同时减少PCB占板空间是可行的。而且，利用其它ASIC可为ASM提供更多状态，我们还可以设计更复杂的控制器。