【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被用於船舶發電機組

、應急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dui電dian力li公gong司si而er言yan
，配pei電dian網wang絡luo的de電dian壓ya調tiao節jie非fei常chang關guan鍵jian，因yin為wei這zhe決jue定ding了le提ti供gong給gei最zui終zhong消xiao費fei者zhe的de電dian力li服fu務wu質zhi量liang。為wei此ci

，公gong共gong事shi業ye企qi業ye須xu確que保bao進jin行xing適shi當dang的de短duan期qi和he長chang期qi規gui劃hua

、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，尤其是對巴基斯坦
、印(yin)度(du)和(he)孟(meng)加(jia)拉(la)國(guo)等(deng)許(xu)多(duo)南(nan)亞(ya)國(guo)家(jia)。由(you)於(yu)竊(qie)電(dian)和(he)電(dian)力(li)不(bu)足(zu)等(deng)原(yuan)因(yin)，這(zhe)些(xie)地(di)區(qu)的(de)配(pei)電(dian)係(xi)統(tong)非(fei)常(chang)脆(cui)弱(ruo)，常(chang)會(hui)導(dao)致(zhi)間(jian)歇(xie)性(xing)斷(duan)電(dian)和(he)其(qi)它(ta)類(lei)型(xing)的(de)斷(duan)電(dian)。因(yin)此(ci)，終(zhong)端(duan)用(yong)戶(hu)可(ke)能(neng)會(hui)麵(mian)臨(lin)電(dian)源(yuan)線(xian)電(dian)壓(ya)波(bo)動(dong)的(de)問(wen)題(ti)。為(wei)確(que)保(bao)空(kong)調(tiao)、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設備易於使用，通常在一個預定的電壓水平範圍內運行（例如150V至240V，或90V至280V）。

從功能上講，AVR通tong常chang使shi用yong抽chou頭tou自zi耦ou變bian壓ya器qi將jiang交jiao流liu輸shu出chu保bao持chi在zai一yi個ge可ke接jie受shou的de範fan圍wei內nei。它ta利li用yong反fan饋kui機ji製zhi來lai控kong製zhi抽chou頭tou的de位wei置zhi
，切qie換huan適shi當dang的de繼ji電dian器qi來lai調tiao節jie輸shu出chu電dian壓ya。AVR通常由兩個單元組成：傳(chuan)感(gan)單(dan)元(yuan)和(he)調(tiao)節(jie)單(dan)元(yuan)。傳(chuan)感(gan)單(dan)元(yuan)的(de)工(gong)作(zuo)是(shi)確(que)定(ding)穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)水(shui)平(ping)，而(er)調(tiao)節(jie)單(dan)元(yuan)負(fu)責(ze)將(jiang)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)保(bao)持(chi)在(zai)可(ke)接(jie)受(shou)的(de)預(yu)定(ding)範(fan)圍(wei)之(zhi)內(nei)。

傳統上，基於繼電器的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製功能。而在最新的數字控製商用AVR中
，采用8位微控製器（MCU）來進行控製的設計顯著增多。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，並且將詳細描述整個係統設計和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。

係統設計

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。該係統主要基於反饋機製。AVR輸出端的交流電壓經過調節降低到SLG46537V IC的工作DC電壓限製之內。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抽頭（135V、174V、196V和220V）。

●    輸出波形和頻率與輸入相同。

●    AVR（控製器）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，可以在GreenPAK IC配置中輕鬆調整給定的參數。

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並將其降至12V
，然後采用合適的穩壓器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。然後
，采用輸出濾波器（電解電容器）來最小化紋波並獲得恒定的平滑直流電壓。再利用旁路電容器來濾除瞬變。最後獲得濾波後的直流電壓（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 Û 2VDC）。

GreenPAK

GreenPAK IC以Vsense為輸入，並基於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，供參考。

繼電器致動

三個機電繼電器（RL1、RL2和RL3）被用於在自耦變壓器的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）用於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
，請複製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的正常工作範圍內
，通過模擬比較器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第1.2節中提到的規格要求。異步狀態機（ASM）模塊則用於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係。

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）
，且持續至達到所需的電壓電平。類似地
，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，通過ASM模塊反饋中的延遲來控製突發的狀態轉換。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製輸出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。隻有當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。

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。隨後
，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用於控製提供給AVR的輸入交流電壓。AVR包含一個自耦變壓器和一個包含控製電路的PCB。

GreenPAK開發板連接到PCB以控製機電繼電器。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：

●    負載範圍：450VA-550VA

●    輸入電壓範圍：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）

●    係統效率：>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。在從低到高的電壓範圍內掃描輸入電壓並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
，它成功確定並選擇了匝數比為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的控製器。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
，並詳細闡明了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製器，尤其是應用在住宅AVR中。因此，利用低成本IC設計AVR的控製單元同時減少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
，我們還可以設計更複雜的控製器。

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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