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如何更高效地开发AC-AC自动电压调节器?

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

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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

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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

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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。

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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。

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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<live_out<240V),则状态(自耦变压器匝数比)发生变化。特别是当live_out大于上限,会发生向更高状态的转换(降低自耦变压器匝数比),且持续至达到所需的电压电平。类似地,小于下限的live_out,会产生向较低状态的转换。

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。

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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图10:趋近过压(图片来源:BarqEE)

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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。

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图12:趋近欠压(图片来源:BarqEE)

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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。

参考原文:Amore effective approach for developing AC-AC automatic voltage regulators

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



THE END
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