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详述一种更为有效的AC-AC自动电压调节器 (AVR)开发方法(上)

时间:2021-08-04 作者:Aamir Hussain Chughtai,Muhammad Saqib 阅读:
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。本文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。
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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150 V至240 V,或 90 V至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与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 Semiconductor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。

该文章分为两部分,在第一部分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;第二部分将展示通过原型获得的实验结果,以验证这种AVR的可行性和可操作性。

系统设计

图1: AVR 设计的功能框图

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 125 V 至 240 V。

●输出电压在 200 V至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。

●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抽头(135 V、174 V、196 V 和 220 V)。

●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

图2: AVR设计建议

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12 V,然后采用合适的稳压器 IC 将其进一步转换为 5 VDC。

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200 VAC Û 2 VDC)。

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135 V、174 V、196 V 和 220 V 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可以在相关网站下载(https://www.dialog-semiconductor.com/an-cm-314-gp)。

图 3:GreenPAK 设计原理图(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。

图 4:有限状态机

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。

表1: AT匝数比与每个状态之间的关系(来源:BarqEE)(表格需要重新绘制)

如果 Live_out 大于上限(约240 VAC,由 ACMP1 的参考设置)或小于下限(约200 VAC,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 (200 V < Live_out < 240 V),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),且持续到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。

图5: RAM模块(来源:BarqEE)

在延迟中设置的预定义时间段 tp (约0.5 s) 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GreenPA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。

(参考原文:A more effective approach for developing AC-AC automatic voltage regulators

责编:Amy Guan

详述一种更为有效的AC-AC自动电压调节器 (AVR)开发方法(下)
 

本文为《电子工程专辑》2021年8月刊杂志文 章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

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