【導讀】自動電壓調節器（AVR）通常也稱為穩壓器，它通過補償輸入電壓的波動來調節供電電壓電平，在許多工業和住宅應用中都很常見。例如，AVR被用于船舶發電機組、應急電源和石油鉆井平臺，以在電力需求波動期間穩定電壓電平。
對電力公司而言，配電網絡的電壓調節非常關鍵，因為這決定了提供給最終消費者的電力服務質量。為此，公共事業企業須確保進行適當的短期和長期規劃、電力設備維護并在配電線路上部署穩壓器。然而，這項任務頗具挑戰性，尤其是對巴基斯坦、印度和孟加拉國等許多南亞國家。由于竊電和電力不足等原因，這些地區的配電系統非常脆弱，常會導致間歇性斷電和其它類型的斷電。因此，終端用戶可能會面臨電源線電壓波動的問題。為確保空調、冰箱和電視等貴重設備的安全性和正常運行，采用小型便攜式AVR非常普遍。AVR設備易于使用，通常在一個預定的電壓水平范圍內運行（例如150V至240V，或90V至280V）。
從功能上講，AVR通常使用抽頭自耦變壓器將交流輸出保持在一個可接受的范圍內。它利用反饋機制來控制抽頭的位置，切換適當的繼電器來調節輸出電壓。AVR通常由兩個單元組成：傳感單元和調節單元。傳感單元的工作是確定穩壓器的輸入和輸出電壓水平，而調節單元負責將輸出電壓保持在可接受的預定范圍之內。
傳統上，基于繼電器的AVR設計一般采用運算放大器IC與模擬比較器相結合來實現控制功能。而在最新的數字控制商用AVR中，采用8位微控制器（MCU）來進行控制的設計顯著增多。本文介紹的方法使用Dialog半導體公司的低成本GreenPAK可編程混合信號ASIC（專用集成電路）來實現類似的功能和特性。它不僅可以降低成本與空間需求，而且無需對MCU進行編程。
本文中，我們將闡述開發人員如何使用GreenPAK SLG46537V IC等可編程ASIC來開發AVR，并且將詳細描述整個系統設計和GreenPAK設計。為了驗證這種AVR的可行性和可操作性，我們也將展示通過原型獲得的實驗結果。
系統設計
圖1：AVR設計的功能框圖（圖片來源：BarqEE）
該AVR設計的功能框圖如圖1所示。該系統主要基于反饋機制。AVR輸出端的交流電壓經過調節降低到SLG46537V IC的工作DC電壓限制之內。根據感應到的電壓，由IC驅動適當的繼電器選擇自耦變壓器上合適的抽頭繞組。
AVR的規格取決于特定的應用。本文描述的AVR具有以下特性：
● 輸入電壓范圍為125V至240V。
● 輸出電壓在200V至240V之間調節。
● 提供欠壓和過壓保護功能。當AVR輸出電壓低于180V（欠壓）或高于255V（過壓）時，輸出電源斷開。
● 設計中使用了四個機電繼電器。
● 自耦變壓器用于升壓，它具有0V零線連接和四個額外的抽頭（135V、174V、196V和220V）。
● 輸出波形和頻率與輸入相同。
● AVR（控制器）設計成本低廉。
● 提供LED指示燈用于指示正常、過壓或欠壓情況。
請注意，這些參數可任意設置。根據實際應用，可以在GreenPAK IC配置中輕松調整給定的參數。
功能設計
圖2：AVR設計建議（圖片來源：BarqEE）
圖2顯示了采用SLG46537V IC的AVR功能設計建議。
電源調節
電源調節模塊為GreenPAK IC供電。它以帶電交流電作為輸入并將其降至12V，然后采用合適的穩壓器IC將其進一步轉換為5VDC。
交流電壓感應
電壓感應部分使用二極管和電阻分壓器網絡對輸出交流電壓（Live_out）進行降壓和整流，以獲得低壓直流電平。然后，采用輸出濾波器（電解電容器）來最小化紋波并獲得恒定的平滑直流電壓。再利用旁路電容器來濾除瞬變。最后獲得濾波后的直流電壓（Vsense）。為確保DC電壓電平與該芯片兼容，采用的降壓因子約為0.01（即200VAC ? 2VDC）。
GreenPAK
GreenPAK IC以Vsense為輸入，并基于GreenPAK邏輯（見第2節）驅動所需的繼電器（通過BJT）動作。IC的數字輸出同時還用于切換LED指示燈，以通知用戶AVR的正常和過壓/欠壓狀態。GreenPAK IC原理圖及其IO連接如圖2所示，供參考。
繼電器致動
三個機電繼電器（RL1、RL2和RL3）被用于在自耦變壓器的135V、174V、196V和220V抽頭之間切換輸入交流電壓（Live_in）連接。第四個機電繼電器（RL4）用于在欠壓或過壓情況下斷開AVR輸出，從而防止對AVR輸出端連接的負載造成任何損壞。
GreenPAK邏輯
通過GreenPAK Designer軟件（免費提供）創建的完整設計文件，請復制以下鏈接到瀏覽器中打開下載：
https://www.dialog-semiconductor.com/an-cm-314-gp
圖3：GreenPAK設計原理圖（圖片來源：BarqEE）
圖3為GreenPAK的設計原理圖。Vsense通過引腳6被饋送到不同的比較器。在AVR的正常工作范圍內，通過模擬比較器ACMP0和ACMP1進行電壓調節，而ACMP2和ACMP3則用于過壓和欠壓檢測。由于比較器的最大內部參考電壓可以設置為不大于1.2V，因此使用0.33的增益來確保輸出電壓可以在不同范圍內進行比較和正確分類。比較器的參考電壓設置滿足第1.2節中提到的規格要求。異步狀態機（ASM）模塊則用于建立有限狀態機以進行電壓調節。
圖4：有限狀態機（圖片來源：BarqEE）
圖4描述了用到的五種狀態。在每個狀態下，繼電器1、2和3使用ASM分別輸出OUT3、OUT2和OUT1，從而選擇相關自耦變壓器抽頭，以及相應的自耦變壓器匝數比。從狀態0變化到狀態4會導致自耦變壓器匝數比逐步減小。表1顯示了每個狀態與匝數比的對應關系。
表1：AT匝數比與每個狀態之間的關系（來源：BarqEE）
如果Live_out大于上限（約240VAC，由ACMP1的參考設置）或小于下限（約200VAC，由ACMP0的參考設置），則通過狀態轉換實現電壓調節。如果任意狀態都不能產生所需的穩壓輸出電壓電平（200V<live_out<240V），則狀態（自耦變壓器匝數比）發生變化。特別是當live_out大于上限，會發生向更高狀態的轉換（降低自耦變壓器匝數比），且持續至達到所需的電壓電平。類似地，小于下限的live_out，會產生向較低狀態的轉換。
為確保機電繼電器的正常工作，通過ASM模塊反饋中的延遲來控制突發的狀態轉換。為此，ASM模塊的OUT3、OUT4、OUT5、OUT6和OUT7輸出分別饋送到延遲模塊DLY2、DLY3、DLY4、DLY5和DLY6。圖5描述了ASM的RAM模塊配置，其中顯示了每個二進制輸出OUT0至OUT7的狀態。
圖5：RAM模塊（圖片來源：BarqEE）
在延遲中設置的預定義時間段tp（約0.5s）內，狀態會保持。只有當Live_out保持在所需范圍外至少tp時間之后才會發生狀態轉換。延遲的輸出與ACMP0和ACMP1的輸出一起反饋到不同的LUT（和AND模塊），如圖4所示。這確保了狀態轉換僅在tp時間段過去之后且Live_out超出所需范圍時才發生。特定的狀態轉換取決于ACMP0和ACMP1的輸出。例如，如果在tp時間段內狀態1保持，則不可能轉換到狀態0和狀態2。如果已達到所需的電壓電平，則保持狀態1。否則，根據Live_out大于上限還是小于下限，會發生到狀態0和狀態2的轉換。
所建議的GreenPAK設計的另一個重要特性是在過壓和欠壓條件下提供保護。比較器ACMP2和ACMP3分別用于過壓和欠壓情況。ACMP2的輸出和ACMP3的反相輸出傳遞到延遲模塊DLY0和DLY1，以確保不會檢測到任何瞬態的過壓和欠壓情況。隨后，DLY0和DLY1的輸出被饋送到LUT模塊，由該模塊來決定它是正常、過壓還是欠壓情況。在正常情況下，RLY4保持通電，且AVR調節電壓；否則將無法調節電壓且RLY4跳閘。另外，GreenPAK還為用戶提供正常、過壓和欠壓條件的指示。
實驗結果
實驗硬件
圖6：實驗裝置（圖片來源：BarqEE）
圖6顯示了設計原型的實驗裝置。Variac用于控制提供給AVR的輸入交流電壓。AVR包含一個自耦變壓器和一個包含控制電路的PCB。
GreenPAK開發板連接到PCB以控制機電繼電器。同時用一個示波器來記錄輸入和輸出電壓。
圖7：PCB電路（圖片來源：BarqEE）
圖7是安裝了機電繼電器、BJT和其它輔助組件的PCB電路。
AVR性能數據
AVR的性能數據總結如下：
● 負載范圍：450VA-550VA
● 輸入電壓范圍：125V-240V
● 輸出電壓：200V-240V
● 頻率：50Hz-60Hz
● 絕緣電阻：>5MΩ
● 響應時間：10毫秒-15毫秒
● 變壓器溫升：65°C-70°C（1.2倍滿額定負載）
● 系統效率：>95%
● 環境溫度：0℃-40℃
示波器輸出
以下圖片均為實驗中的示波器記錄。黃色和藍色標記分別表示輸入和輸出電壓。
圖8：量化實驗總結（圖片來源：BarqEE）
圖8描述了AVR正常功能實驗結果的量化總結。在從低到高的電壓范圍內掃描輸入電壓并觀察相應的輸出電壓，可以看到IC成功地驅動繼電器改變了自耦變壓器抽頭，將匝數比從1.63降為1，實現了電壓調節。
圖9：正常功能（圖片來源：BarqEE）
圖9顯示了AVR的正常功能，它成功確定并選擇了匝數比為1.63的抽頭。
圖10：趨近過壓（圖片來源：BarqEE）
圖11：過壓條件（圖片來源：BarqEE）
圖10描繪了趨近過壓條件時的輸入和輸出電壓波形。兩者具有相似的波形，因為抽頭匝數比均為1。
圖11顯示了過壓情況。可以看出輸出電壓已驟降，因為AVR已成功將RL4跳閘以進行保護。
圖12：趨近欠壓（圖片來源：BarqEE）
圖13：欠壓條件（圖片來源：BarqEE）
圖12描繪了趨近欠壓條件時的輸入和輸出電壓波形。在這種情況下，AVR選擇了最大匝數比（1.63）抽頭。
圖13顯示了欠壓條件的情況。可以觀察到輸出電壓因RL4跳閘保護而下降。
注意，當AVR調節電壓時，輸入和輸出電壓都沒有頻率變化或相移。
結論
AVR在住宅和工業應用中很受歡迎，本文描述了如何使用可編程ASIC（例如GreenPAK SLG46537V IC）作為AVR的控制器。ASIC可以替代目前在這些應用中使用的分立式元件和MCU。本文描述了SLG46537V在推薦的AVR設計中的作用，并詳細闡明了GreenPAK的設計。另外，還給出了AVR原型的實驗細節，以驗證所推薦的設計。
可以看出，該電路具備足夠的能力作為控制器，尤其是應用在住宅AVR中。因此，利用低成本IC設計AVR的控制單元同時減少PCB占板空間是可行的。而且，利用其它ASIC可為ASM提供更多狀態，我們還可以設計更復雜的控制器。
參考原文：Amore effective approach for developing AC-AC automatic voltage regulators
作者：Aamir Hussain Chughtai, Muhammad Saqib
本文由《EET電子工程專輯》編輯團隊翻譯，責編：Amy Guan
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