开发 AC-AC 自动稳压器的更有效方法
AVR 的开发已转向数字控制系统使用 8 位微控制器构建，但可编程混合信号 ASIC 在降低成本和尺寸方面具有优势——对于在某些地区非常流行的小型便携式 AVR 尤其重要。
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电平。 AVR 通常也称为稳压器，在许多工业和住宅应用中都有应用。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。
对于电力公司而言，配电网络中的电压调节是决定提供给最终消费者的电能质量的关键责任。为此，公用事业公司必须确保适当的短期和长期规划、电力设备维护以及在配电线路上部署调节器。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。在包括巴基斯坦、印度和孟加拉国在内的许多南亚国家，由于窃电和发电不足的问题，配电系统很脆弱，这可能导致断电和其他中断。因此，最终用户可能会面临电源线电压波动的问题。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功能，小型便携式 AVR 的使用非常受欢迎。 AVR 是易于使用的设备，通常在预定义的电压范围内运行（例如 150 V – 240 V 或 90 V – 280 V）。
从功能上讲，AVR 通常使用抽头自耦变压器将交流输出保持在可接受的范围内。反馈机制用于通过切换适当的继电器来调节输出电压来控制抽头的位置。这通常由两个单元组成：传感单元和调节单元。传感单元的工作是确定稳压器的输入和输出电压电平，而调节单元则将输出电压保持在可接受的预定范围内。
传统上，运算放大器 IC 与模拟比较器结合使用，以在基于继电器的 AVR 设计中进行控制。最近，在数字控制的商用 AVR 中，8 位微控制器 (MCU) 的使用显着增加。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。这种替换在降低成本和空间要求方面具有优势，并且无需对 MCU 进行显式编程。
在本文中，我们将解释开发人员如何使用 GreenPAK SLG46537V IC 等可编程 ASIC 来开发 AVR。整个系统设计和 GreenPAK 设计将被彻底描述。为了验证该AVR的可行性和可操作性，我们还展示了从原型机获得的实验结果。
系统设计
图 1：框图。 （来源：BarqEE）
建议的 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以将其降低到 SLG46537V IC 的功能直流限制。根据检测到的电压，IC 驱动合适的继电器来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。在本文中，我们的 AVR 具有以下规格：
- 输入电压范围为 125 V 至 240 V。
- 输出电压在 200 V 和 240 V 之间调节。
- 提供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，它具有 0 V 零线连接和四个额外的 135 V、174 V、196 V 和 220 V 抽头。
- 输出波形和频率与输入相同。
- AVR（控制器）设计成本低廉。
- 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
点击查看全尺寸图片
图 2：提议的 AVR 设计。 （来源：BarqEE）
图 2 显示了使用 SLG46537V IC 的 AVR 的建议功能设计。
电源调节
电源调节块为 GreenPAK IC 供电。它以带电的交流电为输入，将其降压至 12 V，然后使用合适的稳压器 IC 将其进一步转换为 5 VDC。
交流电压检测
对于电压检测，输出交流电压 (Live_out ) 使用二极管和电阻分压器网络进行降压和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。还采用旁路电容器来滤除瞬变。因此，过滤后的直流电压 (Vsense ) 得到。为确保 DC 电压电平与 IC 兼容，使用了（大约）0.01 的降压因子（即 200 VAC Û 2 VDC）。
GreenPAK
使用 Vsense 并且基于 GreenPAK 逻辑（第 2 节），IC 驱动所需的继电器（通过 BJT）进行驱动。 IC 的数字输出还用于切换 LED 指示灯，以通知用户 AVR 的正常和过压/欠压情况。已提供IC示意图，显示IO连接，以供参考。
驱动
三个机电继电器（RL1、RL2 和 RL3）用于切换输入交流电压 (Live_in ) 自耦变压器的 135 V、174 V、196 V 和 220 V 分接头之间的连接。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 输出处连接的负载造成任何损坏。
GreenPAK 逻辑
可以在此处找到在 GreenPAK Designer 软件（免费提供）中创建的完整设计文件。
点击查看全尺寸图片
图 3：GreenPAK 设计原理图。 （来源：BarqEE）
图 3 显示了 GreenPAK 设计的原理图。 Vsense 使用引脚 6 馈送到不同的比较器。模拟比较器 ACMP0 和 ACMP1 用于在 AVR 的正常工作范围内进行调节，而 ACMP2 和 ACMP3 用于过压和欠压检测。由于比较器的最大内部基准可以设置为不大于1.2 V，因此使用0.33的增益来确保输出电压可以在不同的范围内进行比较和正确分类。比较器的参考设置为满足第 1.2 节中概述的规格。采用异步状态机(ASM)模块建立电压调节的有限状态机。
点击查看全尺寸图片
图 4：有限状态机。 （来源：BarqEE）
图 4 描述了所使用的五种状态。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 到状态 4 会导致自耦变压器匝数比逐步减小。表1给出了每个状态与匝数比的对应关系。
表一：各状态对应的AT匝数比 （来源：BarqEE）
状态 0 1 2 3 4 AT 转弯比 220/135 ≈ 1.63 196/135 ≈ 1.45 220/174 ≈ 1.26 196/174 ≈ 1.13 220/220 =1
如果 Live_out 大于上限（≈ 240 VAC，由 ACMP1 的参考设置）或小于下限（≈ 200 VAC，由 ACMP0 的参考设置），则使用状态转换实现电压调节。如果任何状态未产生所需的稳压输出电压电平 (200 V
为确保机电继电器正常工作，通过使用 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。图 5 描述了 ASM 的 RAM 块的配置，其中显示了每个二进制输出 OUT0 – OUT7 的状态。
状态在延迟中设置的预定义时间段 tp (≈ 0.5 s) 内保留。仅当 Live_out 保持在所需范围之外至少 tp 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。这确保状态转换仅在 tp 过去且 Live_out 超出所需范围时发生。特定的状态转换取决于 ACMP0 和 ACMP1 的输出。例如，如果状态 1 保持 tp，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 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。
提议的 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 块，该块决定它是正常、过压还是欠压条件。在正常情况下，RLY4 保持通电，AVR 调节电压。否则，无法调节并且 RLY4 跳闸。还为用户提供了正常、过压和欠压状态指示。 实验结果
实验硬件 点击查看全尺寸图片
图 6 显示了原型的实验设置。 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。示波器用于记录输入和输出电压。 点击查看全尺寸图片
图 7 显示了安装机电继电器、BJT 和其他辅助元件的 PCB 电路。
AVR 性能数据
AVR的性能数据总结如下：
示波器结果
下图显示了用于实验的示波器日志。黄色和蓝色标记分别表示输入和输出电压。 点击查看全尺寸图片
图 8 描述了 AVR 正常功能的实验结果的定量总结。在一个电压范围内（从低到高）扫描输入电压并观察相应的输出电压。该 IC 成功地驱动继电器以改变自耦变压器抽头，从而将匝数比从 1.63 变为 1 以进行电压调节。 点击查看全尺寸图片
图 9 显示了 AVR 的正常功能，其中成功确定和选择了匝数比为 1.63 的抽头。 点击查看全尺寸图片 点击查看全尺寸图片
图 10 描绘了接近过压条件时的输入和输出电压波形。两者波形相似，匝数比抽头为1。
图 11 显示了过压情况。可以看出，由于AVR成功跳闸RL4进行保护，输出电压已经崩溃。 点击查看全尺寸图片 点击查看全尺寸图片
图 12 描绘了接近欠压条件时的输入和输出电压波形。在这种情况下，AVR 选择最大匝数比（1.63）的抽头。
图 13 显示了欠压情况。可以观察到输出电压随着RL4跳闸保护而下降。
请注意，AVR 调节时输入和输出电压没有频率变化或相移。 结论
在本文中，我们描述了使用可编程 ASIC（例如 GreenPAK SLG46537V IC）作为 AVR 的控制器，这些 AVR 在住宅和工业应用中很受欢迎。 ASIC 可以替代目前在这些应用中使用的分立元件和 MCU。阐述了 SLG46537V 在提议的 AVR 中的作用，并彻底解释了 GreenPAK 设计。此外，还提供了原型 AVR 的实验细节以验证所提出的设计。
我们得出的结论是，该电路提供了足够的能力作为控制器，特别是在住宅 AVR 中。因此，可以使用廉价的 IC 设计 AVR 的控制单元，并减少 PCB 占用空间。可以使用提供更多状态的 ASM 的其他 ASIC 来设计更复杂的控制器。
相关内容：
有关 Embedded 的更多信息，请订阅 Embedded 的每周电子邮件通讯。
图 5：RAM 块。 （来源：BarqEE）
图 6：实验设置。 （来源：BarqEE）
图 7：PCB 电路。 （来源：BarqEE）
图 8：定量实验总结。 （来源：BarqEE）
图 9：正常功能。 （来源：BarqEE）
图 10：接近过电压。 （来源：BarqEE）
图 11：过压情况。 （来源：BarqEE）
图 12：接近欠压。 （来源：BarqEE）
图 13：欠压条件。 （来源：BarqEE）
阿米尔·侯赛因·楚泰 目前正在攻读博士学位。拉合尔 LUMS 的电气工程。他的工作领域与信号处理、机器学习和物联网相关。他是拉合尔 IT 初创公司 BarqEE 的联合创始人。可以通过 [email protected] 联系 Aamir。 
穆罕默德·萨奇布 在拉合尔 NUCES 获得电气工程硕士学位。他的主要工作领域包括电力电子、嵌入式系统和仪器仪表。他是拉合尔 IT 初创公司 BarqEE 的联合创始人。可以通过 [email protected] 联系 M. Saqib。
嵌入式