Эффективная разработка АВР на программируемых GreenPAK ASIC

Современные автоматическое регуляторы напряжения (АВР) все чаще полагаются на цифровое управление, однако экономичные и компактные решения, предлагаемые программируемыми смешанно-сигнальными ASIC — такими как GreenPAK SLG46537V от Dialog Semiconductor — оказываются особенно ценными для портативных блоков АВР.

АВР, часто называемые стабилизаторами напряжения, поддерживают стабильное выходное напряжение, компенсируя колебания в сети. Они неотъемлемы для генераторов на судах, систем аварийного питания и нефтяных платформ, а также защищают бытовые приборы — кондиционеры и холодильники — от скачков напряжения.

Для энергетических компаний точное регулирование напряжения по всей распределительной сети критично для качества электроэнергии. В таких регионах, как Южная Азия, проблемы вроде хищения электроэнергии и дефицита генерации могут вызывать аварийные отключения и колебания напряжения, делая портативные АВР популярным средством защиты.

Традиционные схемы АВР используют разветвленный автотрансформатор с релейной обратной связью. Схема обычно состоит из измерительного блока, контролирующего входное и выходное напряжения, и регулирующего блока, управляющего реле для выбора нужного отвода трансформатора. Исторически эта обратная связь реализовывалась на операционных усилителях и аналоговых компараторах; более новые дизайны используют 8-битные микроконтроллеры. Однако платформа GreenPAK предоставляет эквивалентную функциональность при меньшей стоимости и площади, устраняя необходимость в отдельной прошивке МК.

В следующих разделах мы подробно опишем, как SLG46537V может быть сконфигурирован как контроллер АВР, представим полную системную архитектуру и поделимся экспериментальными результатами прототипа.

Системная архитектура

Рисунок 1 показывает блок-схему АВР. Выходное переменное напряжение приводится к уровню постоянного тока, подходящему для GreenPAK, который в свою очередь управляет электромеханическими реле для выбора соответствующего отвода автотрансформатора. Контроллер также запитывает схему управления реле и обеспечивает светодиодную индикацию статуса.

Рисунок 1: Функциональная блок-схема (источник: BarqEE)

Ключевые спецификации АВР:

• Входное напряжение: 125 В – 240 В
• Регулируемый выход: 200 В – 240 В
• Защита от недостаточного напряжения (<180 В) и переизбытка (>255 В) отключает выход.
• Четыре электромеханических реле управляют отводами автотрансформатора (135 В, 174 В, 196 В, 220 В) и реле безопасности.
• Выходная форма волны и частота соответствуют входным.
• Экономичный дизайн контроллера.
• Светодиодные индикаторы для нормального режима, переизбытка и недостаточного напряжения.

Эти параметры можно скорректировать в прошивке GreenPAK для других приложений.

Функциональная реализация

Рисунок 2: Детальная архитектура АВР (источник: BarqEE)

Условие питания
Линия переменного тока понижается до 12 В, затем стабилизируется до 5 В постоянного тока для питания GreenPAK.

Измерение напряжения
Выходное переменное напряжение (Live_out) ослабляется, выпрямляется и фильтруется для получения стабильного постоянного опорного напряжения (Vsense). Коэффициент масштабирования 0,01 преобразует 200 В переменного тока в ~2 В постоянного тока, попадая в диапазон входов ИС.

Управление GreenPAK
Vsense подается на компараторы и конечный автомат GreenPAK. Цифровые выходы управляют транзисторными драйверами реле и светодиодными индикаторами. Схема конфигурации I/O GreenPAK показана на Рисунке 3.

Рисунок 3: Схема дизайна GreenPAK (источник: BarqEE)

Управление реле
Три реле (RL1–RL3) переключают вход трансформатора между четырьмя отводами. Четвертое реле (RL4) отключает выход при срабатывании защиты.

Логический дизайн GreenPAK

Файл GreenPAK Designer доступен здесь (бесплатная загрузка).

Рисунок 4: Пятисостоянийный конечный автомат (источник: BarqEE)

Конечный автомат управляет выбором реле: каждое состояние соответствует определенному коэффициенту отвода автотрансформатора, как суммировано в Таблице 1.

Таблица 1: Коэффициенты отводов автотрансформатора по состояниям (источник: BarqEE)

Состояние	Коэффициент отвода
0	220/135 ≈ 1,63
1	196/135 ≈ 1,45
2	220/174 ≈ 1,26
3	196/174 ≈ 1,13
4	220/220 = 1

Переходы между состояниями происходят, когда измеренное выходное напряжение выходит за полосу 200 В–240 В. Задержки ≈ 0,5 с предотвращают дребезг реле при переходных процессах.

Переизбыток и недостаточное напряжение детектируются компараторами ACMP2 и ACMP3. После 50 мс дебаунса логика отключает RL4 и активирует соответствующий светодиод.

Экспериментальная валидация

Аппаратная установка

Рисунок 6: Прототипная тестовая схема (источник: BarqEE)

Тестовый стенд использует вариатор для перебора входного напряжения, осциллограф для захвата волн и отладочную плату GreenPAK для управления реле.

Печатная плата и схема реле

Рисунок 7: Топология печатной платы (источник: BarqEE)

Плата размещает драйверы реле, биполярные транзисторы и вспомогательные компоненты.

Метрики производительности

• Нагрузка: 450 ВА – 550 ВА
• Входное напряжение: 125 В – 240 В
• Выходное напряжение: 200 В – 240 В
• Частота: 50 Гц – 60 Гц
• Сопротивление изоляции: > 5 МОм
• Время отклика: 10 мс – 15 мс
• Нагрев трансформатора: 65 °C – 70 °C при 1,2× номинальной нагрузке
• КПД: > 95 %
• Диапазон окружающей температуры: –40 °C до 0 °C

Анализ волн

Рисунок 8: Количественные результаты осциллографа (источник: BarqEE)

АВР отслеживает входное напряжение и поддерживает выход в целевой полосе, перебирая реле отводов.

Рисунок 9: Нормальное регулирование (источник: BarqEE)

Когда входное напряжение приближается к верхнему пределу, АВР переключается на наименьший коэффициент отвода (1,00), возвращая выход в диапазон 200 В–240 В.

Рисунок 10: Приближение к переизбытку (источник: BarqEE)

При переизбытке RL4 размыкается и выход падает, защищая нагрузку.

Рисунок 11: Защита от переизбытка (источник: BarqEE)

Аналогичная защита срабатывает при недостаточном напряжении, как показано на Рисунках 12 и 13.

Рисунок 12: Приближение к недостаточному напряжению (источник: BarqEE)

Рисунок 13: Защита от недостаточного напряжения (источник: BarqEE)

На протяжении всего регулирования выходная частота и фаза остаются идентичными входным.

Заключение

Программируемые ASIC вроде GreenPAK SLG46537V могут заменить дискретные контроллеры АВР и микроконтроллеры, обеспечивая надежное регулирование напряжения при меньшей стоимости и площади печатной платы. Прототип демонстрирует реализуемость этого подхода для жилых и промышленных приложений, а архитектура может быть масштабирована до более сложных контроллеров за счет использования ASIC с дополнительными состояниями конечного автомата.

---

Аамир Хусайн Чугтай — PhD-кандидат по электротехнике в LUMS, Лахор. Его исследования фокусируются на обработке сигналов, машинном обучении и IoT. Он соосновал BarqEE и доступен по chughtaiah@barqee.com.

Мухаммад Сакиб имеет степень M.S. в электротехнике от NUCES, Лахор. Его экспертиза включает силовую электронику, встраиваемые системы и инструментальную технику. Он соосновал BarqEE и доступен по saqib.awan@barqee.com.

Связанные материалы:

• Полностью программируемые SoC — новый род устройств
• Высокопроизводительные встраиваемые вычисления — аппаратные ускорители
• Проектирование быстрого реагирующего системы обратной связи для миниатюрных приводов
• Аналоговая дискретизация: что означают точность, чувствительность, точность и шум?
• Экономия энергии с реле и соленоидами

Подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded для большего контента.