開(kāi)發(fā)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器 (AVR) 的更有效方法

自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器 (AVR) 用于通過(guò)補(bǔ)償輸入電壓的任何波動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)供電電壓水平。AVR 也通常稱為電壓穩(wěn)定器，可用于許多工業(yè)和住宅應(yīng)用。例如，AVR 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)定電壓水平。

對(duì)于電力公司來(lái)說(shuō)，配電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)是一項(xiàng)關(guān)鍵責(zé)任，決定了交付給最終消費(fèi)者的電力質(zhì)量。為此，公用事業(yè)公司必須確保適當(dāng)?shù)亩唐诤烷L(zhǎng)期規(guī)劃、電力設(shè)備的維護(hù)以及配電線路上調(diào)節(jié)器的部署。然而，這可能是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，尤其是在世界某些地區(qū)。在巴基斯坦、印度和孟加拉國(guó)等許多南亞國(guó)家，由于電力盜竊和發(fā)電不足的問(wèn)題，配電系統(tǒng)很脆弱，這可能導(dǎo)致一段時(shí)間的負(fù)荷削減和其他中斷。因此，最終用戶可能會(huì)面臨電力線電壓波動(dòng)的問(wèn)題。因此，為了確?？照{(diào)、冰箱和電視等昂貴設(shè)備的安全性和正常運(yùn)行，小型便攜式 AVR 的使用非常普遍。AVR 是一種易于使用的設(shè)備，通常在預(yù)定義的電壓水平范圍內(nèi)運(yùn)行(例如 150 V – 240 V 或 90 V – 280 V)。

從功能上講，AVR 通常使用帶抽頭的自耦變壓器將交流輸出保持在可接受的范圍內(nèi)。通過(guò)切換適當(dāng)?shù)睦^電器來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，采用反饋機(jī)制來(lái)控制抽頭的位置。這通常由兩個(gè)單元組成：傳感單元和調(diào)節(jié)單元。傳感單元的作用是確定穩(wěn)定器的輸入和輸出電壓水平，而調(diào)節(jié)單元?jiǎng)t將輸出電壓保持在可接受的預(yù)定限值內(nèi)。

傳統(tǒng)上，運(yùn)算放大器 IC 與模擬比較器配合使用，用于基于繼電器的 AVR 設(shè)計(jì)中的控制。最近，8 位微控制器 (MCU) 在數(shù)字控制的商用 AVR 中的使用顯著增加。但是，使用 Dialog Semiconductor 的低成本 GreenPAK? 可編程混合信號(hào) ASIC(專用集成電路)可以實(shí)現(xiàn)類似的功能和特性。這種替代在降低成本和空間要求方面具有優(yōu)勢(shì)，并且無(wú)需明確編程 MCU。

在本文中，我們將解釋開(kāi)發(fā)人員如何使用可編程 ASIC(例如GreenPAK SLG46537V IC)來(lái)開(kāi)發(fā) AVR。我們將詳細(xì)描述整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)和 GreenPAK 設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證此 AVR 的可行性和可操作性，我們還展示了從原型獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)本質(zhì)上基于反饋機(jī)制。AVR 輸出端的交流電壓經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)，可降低至 SLG46537V IC 的功能直流限值。根據(jù)檢測(cè)到的電壓，IC 會(huì)驅(qū)動(dòng)適當(dāng)?shù)睦^電器，以選擇自耦變壓器上合適的抽頭繞組。

AVR 的規(guī)格取決于具體應(yīng)用。在本文中，我們的 AVR 具有以下規(guī)格：

· 輸入電壓范圍為125V至240V。

· 輸出電壓調(diào)節(jié)在200V至240V之間。

· 具有欠壓和過(guò)壓保護(hù)功能。當(dāng) AVR 輸出電壓低于 180 V(欠壓)或高于 255 V(過(guò)壓)時(shí)，輸出電源斷開(kāi)。

· AVR 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，其具有 0 V 中性連接和 135 V、174 V、196 V 和 220 V 的四個(gè)附加抽頭。

· 輸出波形和頻率與輸入相比保持不變。

· AVR(控制器)設(shè)計(jì)價(jià)格低廉。

· LED 指示燈用于指示正常、過(guò)壓或欠壓情況。

請(qǐng)注意，這些規(guī)格是任意的?？梢愿鶕?jù)實(shí)際應(yīng)用在 GreenPAK IC 的配置中輕松調(diào)整給定的規(guī)格。

功能設(shè)計(jì)

電源調(diào)節(jié)

電源調(diào)節(jié)塊為 GreenPAK IC 供電。它以交流電為輸入，將其降至 12 V，然后使用合適的穩(wěn)壓器 IC 將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為 5 VDC。

交流電壓感應(yīng)

對(duì)于電壓感應(yīng)，使用二極管和電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)將輸出交流電壓 ( Live_out ) 降壓并整流以獲得低壓直流電平。隨后，使用輸出濾波器 (電解電容器) 來(lái)最小化紋波并獲得恒定的平滑直流電壓。還使用旁路電容器來(lái)濾除瞬變。因此，獲得了濾波直流電壓 ( Vsense )。為了確保直流電壓電平與 IC 兼容，使用了 (約) 0.01 的降壓系數(shù) (即 200 VAC ? 2 VDC)。

綠寶

該 IC使用Vsense并基于 GreenPAK 邏輯(第 2 節(jié))，驅(qū)動(dòng)所需的繼電器(通過(guò) BJT)以進(jìn)行啟動(dòng)。IC 的數(shù)字輸出還用于切換 LED 指示燈，以告知用戶 AVR 的正常和過(guò)壓/欠壓情況。IC 的原理圖顯示了 IO 連接，僅供參考。

驅(qū)動(dòng)

采用三個(gè)機(jī)電繼電器 (RL1、RL2 和 RL3) 來(lái)切換自耦變壓器的 135 V、174 V、196 V 和 220 V 抽頭之間的輸入交流電壓 ( 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 AVR 輸出端所連接的負(fù)載受到任何損壞。

GreenPAK 邏輯

Vsense使用引腳 6 饋送到不同的比較器。模擬比較器 ACMP0 和 ACMP1 用于 AVR 正常工作范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，而 ACMP2 和 ACMP3 用于過(guò)壓和欠壓檢測(cè)。由于比較器的最大內(nèi)部參考電壓不能設(shè)置為大于 1.2 V，因此使用 0.33 的增益來(lái)確保輸出電壓可以進(jìn)行比較并正確歸類到不同的范圍內(nèi)。比較器的參考電壓設(shè)置為滿足第 1.2 節(jié)中概述的規(guī)格。使用異步狀態(tài)機(jī) (ASM) 塊來(lái)設(shè)置有限狀態(tài)機(jī)以進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。

所使用的五種狀態(tài),在每種狀態(tài)下，繼電器 1、2 和 3 分別使用 ASM 輸出 OUT3、OUT2 和 OUT1 來(lái)啟動(dòng)。這樣就可以選擇相關(guān)的自耦變壓器抽頭，從而選擇自耦變壓器匝數(shù)比。從狀態(tài) 0 移至狀態(tài) 4 會(huì)導(dǎo)致自耦變壓器匝數(shù)比逐步下降。表 1 顯示了每種狀態(tài)與匝數(shù)比的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表 1：各對(duì)應(yīng)的 AT 轉(zhuǎn)換比率

電壓調(diào)節(jié)是通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng) Live_out 大于上限(≈ 240 VAC，由 ACMP1 參考設(shè)置)或小于下限(≈ 200 VAC，由 ACMP0 參考設(shè)置)時(shí)，就會(huì)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換。如果任何狀態(tài)未產(chǎn)生所需的調(diào)節(jié)輸出電壓水平(200 V < Live_out < 240 V)，則會(huì)發(fā)生狀態(tài)變化(自耦變壓器匝數(shù)比)。具體而言，如果 Live_out 大于上限，則會(huì)轉(zhuǎn)換到更高的狀態(tài)。轉(zhuǎn)換到更高狀態(tài)(降低自耦變壓器匝數(shù)比)持續(xù)到達(dá)到所需的電壓水平。同樣，對(duì)于小于下限的 Live_out，會(huì)轉(zhuǎn)換到較低的狀態(tài)。

為了確保機(jī)電繼電器正常工作，使用 ASM 塊反饋中的延遲來(lái)控制突然的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。為此，ASM 塊 OUT3、OUT4、OUT5、OUT6 和 OUT7 的輸出分別饋送到延遲塊 DLY2、DLY3、DLY4、DLY5 和 DLY6。

狀態(tài)會(huì)保留延遲中設(shè)置的預(yù)定義時(shí)間段 tp(≈ 0.5 秒)。僅當(dāng) Live_out 至少在 tp 內(nèi)保持在所需范圍之外時(shí)，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 塊)，如圖 4 所示。這可確保僅在 tp 過(guò)去且 Live_out 超出所需范圍后才會(huì)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換。特定的狀態(tài)轉(zhuǎn)換取決于 ACMP0 和 ACMP1 的輸出。例如，如果狀態(tài) 1 保留 tp，則不可能轉(zhuǎn)換到狀態(tài) 0 和狀態(tài) 2。如果已達(dá)到所需電壓水平，則維持狀態(tài) 1。否則，根據(jù) Live_out 是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。

所提出的 GreenPAK 設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要特性是在過(guò)壓和欠壓條件下的保護(hù)。比較器 ACMP2 和 ACMP3 分別用于過(guò)壓和欠壓條件。ACMP2 的輸出和 ACMP3 的反相輸出被傳遞到延遲塊 DLY0 和 DLY1，以確保不會(huì)檢測(cè)到任何瞬變的過(guò)壓和欠壓條件。隨后，DLY0 和 DLY1 的輸出被饋送到 LUT 塊，該塊決定是正常、過(guò)壓還是欠壓條件。在正常條件下，RLY4 保持通電，AVR 調(diào)節(jié)電壓。否則，無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)，RLY4 跳閘。還為用戶提供了正常、過(guò)壓和欠壓條件的指示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

自耦變壓器用于控制提供給 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。示波器用于記錄輸入和輸出電壓。

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：450 VA – 550 VA

· 輸入電壓范圍：125V～240

· 輸出電壓：200V-240

· 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倍額定負(fù)載)

· 系統(tǒng)效率：> 95%

· 環(huán)境溫度：0℃-40℃

結(jié)論

在本文中，我們描述了可編程 ASIC(例如 GreenPAK SLG46537V IC)作為 AVR 控制器的使用，AVR 在住宅和工業(yè)應(yīng)用中很受歡迎。ASIC 可以取代目前在這些應(yīng)用中使用的分立元件和 MCU。文中說(shuō)明了 SLG46537V 在所提議的 AVR 中的作用，并詳細(xì)解釋了 GreenPAK 設(shè)計(jì)。此外，還介紹了在原型 AVR 上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，以驗(yàn)證所提議的設(shè)計(jì)。

我們得出結(jié)論，該電路提供了足夠的功能來(lái)充當(dāng)控制器，特別是在家用 AVR 中。因此，可以使用價(jià)格低廉且可減少 PCB 占用空間的 IC 設(shè)計(jì) AVR 的控制單元。可以使用其他提供具有更多狀態(tài)的 ASM 的 ASIC 設(shè)計(jì)更復(fù)雜的控制器。