一種更有效AC-AC自動電壓調節器開發方式

作者 : Aamir Hussain Chughtai、Muhammad Saqib,BarqEE聯合創辦人

本文將闡述開發人員如何使用可程式設計ASIC來開發自動電壓調節器(AVR),並且將詳細描述整個系統設計。

自動電壓調節器(AVR)通常也稱為穩壓器,它透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被用於船隻發電機組、緊急備用電源和石油鑽井平台,以在電力需求波動期間穩定電壓電平。

對電力公司而言,配電網路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品質。為此,公共事業企業須確保進行適當的短期和長期規劃、電力設備維護並在配電線路上部署穩壓器。然而,這項任務頗具挑戰性,尤其是巴基斯坦(Pakistan)、印度(India)和孟加拉(Bangladesh)等許多南亞國家。由於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他類型的斷電。因此,終端使用者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轉,採用小型可攜式AVR非常普遍。AVR裝置易於使用,通常在一個預定的電壓範圍內運作(例如150V~24V,或90V~280V)。

從功能上講,AVR通常使用分接自耦變壓器(tapped autotransformer)將交流輸出保持在一個可接受的範圍內。它利用回饋機制來控制分接的位置,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:感測單元和調節單元。感測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範圍之內。

傳統上,基於繼電器的AVR設計一般採用運算放大器IC與類比比較器結合實現控制功能。而在最新的數位控制商用AVR中,採用8位元微控制器(MCU)來進行控制的設計顯著增加。本文介紹的方法使用Dialog Semiconductor的低成本GreenPAK可程式設計混合訊號ASIC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進行程式設計。

本文分為兩部分,在第一部分將闡述開發人員如何使用GreenPAK SLG46537V IC等可程式設計ASIC來開發AVR,並詳細描述整個系統設計和GreenPAK設計;第二部分將展示透過原型獲得的實驗結果,以驗證這種AVR的可行性和可操作性

系統設計

AVR設計的功能框架圖如圖1所示,該系統主要基於回饋機制。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。根據感測到的電壓,由IC驅動適當的繼電器選擇自耦變壓器上合適的分接繞組。

 

圖1:AVR設計的功能框架圖。

(來源:BarqEE)

 

AVR的規格取決於特定的應用。本文描述的AVR具有以下特性:

  • 輸入電壓範圍為125V~240V;
  • 輸出電壓在200V~240V之間調節;
  • 提供欠壓和過壓保護功能。當AVR輸出電壓低於180V (欠壓)或高於255V (過壓)時,輸出電源斷開;
  • 設計中使用了四個機電繼電器;
  • 自耦變壓器用於升壓,它具有0V零線連接和四個額外的分接(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指示燈用於指示正常、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,可在GreenPAK IC配置中輕鬆調整給定的參數。

功能設計

圖2顯示採用SLG46537V IC的AVR功能設計建議。

 

圖2:AVR設計建議。

(來源:BarqEE)

 

電源調節

電源調節模組為GreenPAK IC供電。它以帶電交流電作為輸入並將其降至12V,然後採用合適的穩壓器IC將其進一步轉換為5VDC。

交流電壓感測

電壓感測部分使用二極體和電阻分壓器網路對輸出交流電壓(Live_out)進行降壓和整流,以獲得低壓直流電平。然後,採用輸出濾波器(電解電容)來最小化波紋並獲得恆定的平滑直流電壓,再利用旁路電容來濾除瞬變,最後獲得濾波後的直流電壓(Vsense)。為確保DC電壓電平與該晶片相容,採用的降壓因數約為0.01 (即200VAC Û 2VDC)。

GreenPAK

GreenPAK IC以Vsense為輸入,並基於GreenPAK邏輯驅動所需的繼電器(透過BJT)動作。IC的數位輸出同時還用於切換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。

繼電器致動

三個機電繼電器(RL1、RL2和RL3)被用在自耦變壓器的135V、174V、196V和220V分接間切換輸入交流電壓(Live_in)連接。第四個機電繼電器(RL4)用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

透過GreenPAK Designer軟體創建的完整設計檔可以在相關網站免費下載。

圖3為GreenPAK的設計原理圖。Vsense透過接腳6被饋送到不同的比較器。在AVR的正常工作範圍內,透過模擬比較器ACMP0和ACMP1進行電壓調節,而ACMP2和ACMP3則用於過壓和欠壓檢測。由於比較器的最大內部參考電壓可以設置為不大於1.2V,因此使用0.33的增益來確保輸出電壓可以在不同範圍內進行比較和正確分類。比較器的參考電壓設置滿足前面中提到的規格要求。非同步狀態機(ASM)模組則用於建立有限狀態機以進行電壓調節。

 

圖3:GreenPAK設計原理圖。

(來源:BarqEE)

 

圖4描述了使用到的五種狀態。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分接,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係。

 

圖4:有限狀態機。

(來源:BarqEE)

 

表1:AT匝數比與每個狀態之間的關係。

(來源:BarqEE)

 

如果Live_out大於上限(約240VAC,由ACMP1的參考設置)或小於下限(約200VAC,由ACMP0的參考設置),則透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大於上限,會發生向更高狀態的轉換(降低自耦變壓器匝數比),且持續到達到所需的電壓電平。類似的狀況下,小於下限的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,利用ASM模組回饋中的延遲來控制突發的狀態轉換。為此,ASM模組的OUT3、OUT4、OUT5、 OUT6和OUT7輸出分別饋送到延遲模組DLY2、DLY3、DLY4、DLY5和DLY6。圖5描述了ASM的RAM模組配置,其中顯示了每個二進位輸出OUT0至OUT7的狀態。

 

圖5:RAM模組。

(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保持在所需範圍外,至少tp時間之後才會發生狀態轉換。延遲的輸出與ACMP0和ACMP1的輸出一起回饋到不同的LUT (和AND模組),如圖4所示。這確保了狀態轉換僅在tp時間段過去之後且Live_out超出所需範圍時才發生。

特定的狀態轉換取決於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大於上限還是小於下限,會發生到狀態0和狀態2的轉換。

本文所建議的GreenPA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分別用於過壓和欠壓情況,ACMP2的輸出和ACMP3的反相輸出傳遞到延遲模組DLY0和DLY1,以確保不會檢測到任何瞬態的過壓和欠壓情況。隨後,DLY0和DLY1的輸出被饋送到LUT模組,由該模組來決定它是正常、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。

(參考原文:A more effective approach for developing AC-AC automatic voltage regulators,by Aamir Hussain Chughtai、Muhammad Saqib)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年8月號

 

 

 

 

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