开发自动电压调节器 (AVR) 的更有效方法

自动电压调节器 (AVR) 用于通过补偿输入电压的任何波动来调节供电电压水平。AVR 也通常称为电压稳定器，可用于许多工业和住宅应用。例如，AVR 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水平。

对于电力公司来说，配电网的电压调节是一项关键责任，决定了交付给最终消费者的电力质量。为此，公用事业公司必须确保适当的短期和长期规划、电力设备的维护以及配电线路上调节器的部署。然而，这可能是一项具有挑战性的任务，尤其是在世界某些地区。在巴基斯坦、印度和孟加拉国等许多南亚国家，由于电力盗窃和发电不足的问题，配电系统很脆弱，这可能导致一段时间的负荷削减和其他中断。因此，最终用户可能会面临电力线电压波动的问题。因此，为了确保空调、冰箱和电视等昂贵设备的安全性和正常运行，小型便携式 AVR 的使用非常普遍。AVR 是一种易于使用的设备，通常在预定义的电压水平范围内运行(例如 150 V – 240 V 或 90 V – 280 V)。

从功能上讲，AVR 通常使用带抽头的自耦变压器将交流输出保持在可接受的范围内。通过切换适当的继电器来调节输出电压，采用反馈机制来控制抽头的位置。这通常由两个单元组成：传感单元和调节单元。传感单元的作用是确定稳定器的输入和输出电压水平，而调节单元则将输出电压保持在可接受的预定限值内。

传统上，运算放大器 IC 与模拟比较器配合使用，用于基于继电器的 AVR 设计中的控制。最近，8 位微控制器 (MCU) 在数字控制的商用 AVR 中的使用显著增加。但是，使用 Dialog Semiconductor 的低成本 GreenPAK™ 可编程混合信号 ASIC(专用集成电路)可以实现类似的功能和特性。这种替代在降低成本和空间要求方面具有优势，并且无需明确编程 MCU。

在本文中，我们将解释开发人员如何使用可编程 ASIC(例如GreenPAK SLG46537V IC)来开发 AVR。我们将详细描述整体系统设计和 GreenPAK 设计。为了验证此 AVR 的可行性和可操作性，我们还展示了从原型获得的实验结果。

系统设计

该系统本质上基于反馈机制。AVR 输出端的交流电压经过调节，可降低至 SLG46537V IC 的功能直流限值。根据检测到的电压，IC 会驱动适当的继电器，以选择自耦变压器上合适的抽头绕组。

AVR 的规格取决于具体应用。在本文中，我们的 AVR 具有以下规格：

· 输入电压范围为125V至240V。

· 输出电压调节在200V至240V之间。

· 具有欠压和过压保护功能。当 AVR 输出电压低于 180 V(欠压)或高于 255 V(过压)时，输出电源断开。

· AVR 设计中使用了四个机电继电器。

· 自耦变压器用于升压，其具有 0 V 中性连接和 135 V、174 V、196 V 和 220 V 的四个附加抽头。

· 输出波形和频率与输入相比保持不变。

· AVR(控制器)设计价格低廉。

· LED 指示灯用于指示正常、过压或欠压情况。

请注意，这些规格是任意的。可以根据实际应用在 GreenPAK IC 的配置中轻松调整给定的规格。

功能设计

电源调节

电源调节块为 GreenPAK IC 供电。它以交流电为输入，将其降至 12 V，然后使用合适的稳压器 IC 将其进一步转换为 5 VDC。

交流电压感应

对于电压感应，使用二极管和电阻分压器网络将输出交流电压 ( Live_out ) 降压并整流以获得低压直流电平。随后，使用输出滤波器 (电解电容器) 来最小化纹波并获得恒定的平滑直流电压。还使用旁路电容器来滤除瞬变。因此，获得了滤波直流电压 ( Vsense )。为了确保直流电压电平与 IC 兼容，使用了 (约) 0.01 的降压系数 (即 200 VAC Û 2 VDC)。

绿宝

该 IC使用Vsense并基于 GreenPAK 逻辑(第 2 节)，驱动所需的继电器(通过 BJT)以进行启动。IC 的数字输出还用于切换 LED 指示灯，以告知用户 AVR 的正常和过压/欠压情况。IC 的原理图显示了 IO 连接，仅供参考。

驱动

采用三个机电继电器 (RL1、RL2 和 RL3) 来切换自耦变压器的 135 V、174 V、196 V 和 220 V 抽头之间的输入交流电压 ( 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 AVR 输出端所连接的负载受到任何损坏。

GreenPAK 逻辑

Vsense使用引脚 6 馈送到不同的比较器。模拟比较器 ACMP0 和 ACMP1 用于 AVR 正常工作范围内的调节，而 ACMP2 和 ACMP3 用于过压和欠压检测。由于比较器的最大内部参考电压不能设置为大于 1.2 V，因此使用 0.33 的增益来确保输出电压可以进行比较并正确归类到不同的范围内。比较器的参考电压设置为满足第 1.2 节中概述的规格。使用异步状态机 (ASM) 块来设置有限状态机以进行电压调节。

所使用的五种状态,在每种状态下，继电器 1、2 和 3 分别使用 ASM 输出 OUT3、OUT2 和 OUT1 来启动。这样就可以选择相关的自耦变压器抽头，从而选择自耦变压器匝数比。从状态 0 移至状态 4 会导致自耦变压器匝数比逐步下降。表 1 显示了每种状态与匝数比的对应关系。

表 1：各对应的 AT 转换比率

电压调节是通过状态转换来实现的，当 Live_out 大于上限(≈ 240 VAC，由 ACMP1 参考设置)或小于下限(≈ 200 VAC，由 ACMP0 参考设置)时，就会发生状态转换。如果任何状态未产生所需的调节输出电压水平(200 V < Live_out < 240 V)，则会发生状态变化(自耦变压器匝数比)。具体而言，如果 Live_out 大于上限，则会转换到更高的状态。转换到更高状态(降低自耦变压器匝数比)持续到达到所需的电压水平。同样，对于小于下限的 Live_out，会转换到较低的状态。

为了确保机电继电器正常工作，使用 ASM 块反馈中的延迟来控制突然的状态转换。为此，ASM 块 OUT3、OUT4、OUT5、OUT6 和 OUT7 的输出分别馈送到延迟块 DLY2、DLY3、DLY4、DLY5 和 DLY6。

状态会保留延迟中设置的预定义时间段 tp(≈ 0.5 秒)。仅当 Live_out 至少在 tp 内保持在所需范围之外时，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 块)，如图 4 所示。这可确保仅在 tp 过去且 Live_out 超出所需范围后才会发生状态转换。特定的状态转换取决于 ACMP0 和 ACMP1 的输出。例如，如果状态 1 保留 tp，则不可能转换到状态 0 和状态 2。如果已达到所需电压水平，则维持状态 1。否则，根据 Live_out 是大于上限还是小于下限，会发生到状态 0 和状态 2 的转换。

所提出的 GreenPAK 设计的另一个重要特性是在过压和欠压条件下的保护。比较器 ACMP2 和 ACMP3 分别用于过压和欠压条件。ACMP2 的输出和 ACMP3 的反相输出被传递到延迟块 DLY0 和 DLY1，以确保不会检测到任何瞬变的过压和欠压条件。随后，DLY0 和 DLY1 的输出被馈送到 LUT 块，该块决定是正常、过压还是欠压条件。在正常条件下，RLY4 保持通电，AVR 调节电压。否则，无法进行调节，RLY4 跳闸。还为用户提供了正常、过压和欠压条件的指示。

实验结果

自耦变压器用于控制提供给 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。示波器用于记录输入和输出电压。

AVR 性能数据

AVR的性能数据总结如下：

· 负载范围：450 VA – 550 VA

· 输入电压范围：125V～240

· 输出电压：200V-240

· 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倍额定负载)

· 系统效率：> 95%

· 环境温度：0℃-40℃

结论

在本文中，我们描述了可编程 ASIC(例如 GreenPAK SLG46537V IC)作为 AVR 控制器的使用，AVR 在住宅和工业应用中很受欢迎。ASIC 可以取代目前在这些应用中使用的分立元件和 MCU。文中说明了 SLG46537V 在所提议的 AVR 中的作用，并详细解释了 GreenPAK 设计。此外，还介绍了在原型 AVR 上进行的实验细节，以验证所提议的设计。

我们得出结论，该电路提供了足够的功能来充当控制器，特别是在家用 AVR 中。因此，可以使用价格低廉且可减少 PCB 占用空间的 IC 设计 AVR 的控制单元。可以使用其他提供具有更多状态的 ASM 的 ASIC 设计更复杂的控制器。