Développement AVR efficace باستخدام les ASICs GreenPAK programmables

Les régulateurs de tension automatiques (AVR) modernes s'appuient de plus en plus sur le contrôle numérique, pourtant les solutions rentables et compactes offertes par les ASICs mixtes programmables — comme le GreenPAK SLG46537V de Dialog Semiconductor — s'avèrent particulièrement précieuses pour les unités AVR portables.

Les AVR, communément appelés stabilisateurs de tension, maintiennent une tension de sortie stable en compensant les fluctuations de l'alimentation. Ils sont essentiels aux générateurs sur les navires, les systèmes d'alimentation d'urgence et les plates-formes pétrolières, et protègent les appareils grand public comme les climatiseurs et réfrigérateurs des irrégularités de tension.

Pour les services publics, une régulation de tension précise à travers le réseau de distribution est essentielle pour la qualité de l'énergie. Dans des régions comme l'Asie du Sud, des défis comme le vol d'électricité et les pénuries de production peuvent déclencher du délestage et des variations de tension, rendant les AVR portables une protection populaire.

Les designs AVR traditionnels emploient un autotransformateur à prises avec une boucle de rétroaction pilotée par relais. Le circuit consiste typiquement en une unité de détection qui surveille les tensions d'entrée et de sortie et une unité de régulation qui actionne les relais pour sélectionner la prise de transformateur correcte. Historiquement, cette rétroaction était implémentée avec des ICs amplificateurs opérationnels et des comparateurs analogiques ; les designs plus récents utilisent des microcontrôleurs 8 bits. Cependant, la plateforme GreenPAK offre une fonctionnalité équivalente à moindre coût et encombrement, éliminant le besoin de firmware MCU séparé.

Dans les sections suivantes, nous détaillons comment le SLG46537V peut être configuré comme contrôleur AVR, présentons l'architecture système complète et partageons les résultats expérimentaux d'un prototype.

Architecture système

La Figure 1 montre le diagramme de blocs de l'AVR. La sortie AC est conditionnée à un niveau DC approprié pour le GreenPAK, qui à son tour pilote des relais électromécaniques pour sélectionner la prise d'autotransformateur appropriée. Le contrôleur alimente également le circuit de pilotage des relais et fournit des indicateurs LED de statut.

Figure 1 : Diagramme de blocs fonctionnel (source : BarqEE)

Les spécifications clés de l'AVR sont :

• Tension d'entrée : 125 V – 240 V
• Sortie régulée : 200 V – 240 V
• Protection sous-tension (<180 V) et sur-tension (>255 V) déconnectent la sortie.
• Quatre relais électromécaniques pilotent les prises d'autotransformateur (135 V, 174 V, 196 V, 220 V) et un relais de sécurité.
• Forme d'onde et fréquence de sortie identiques à l'entrée.
• Conception de contrôleur rentable.
• Indicateurs LED pour états normal, sur-tension et sous-tension.

Ces paramètres peuvent être ajustés dans le firmware GreenPAK pour convenir à d'autres applications.

Implémentation fonctionnelle

Figure 2 : Architecture AVR détaillée (source : BarqEE)

Conditionnement d'alimentation
Le secteur AC est abaissé à 12 V puis régulé à 5 VDC pour alimenter le GreenPAK.

Détection de tension
La sortie AC (Live_out) est atténuée, redressée et filtrée pour produire une référence DC stable (Vsense). Un facteur d'échelle de 0,01 convertit 200 VAC en ~2 VDC, correspondant à la plage d'entrée du CI.

Contrôle GreenPAK
Vsense alimente les comparateurs et la machine d'états du GreenPAK. Les sorties numériques pilotent des drivers de relais à base de transistors et les LEDs de statut. Le schéma de la configuration E/S du GreenPAK est montré à la Figure 3.

Figure 3 : Schéma de conception GreenPAK (source : BarqEE)

Actionnement des relais
Trois relais (RL1-RL3) commutent l'entrée du transformateur entre les quatre prises. Un quatrième relais (RL4) déconnecte la sortie en conditions de protection.

Conception logique GreenPAK

Le fichier GreenPAK Designer est disponible ici (téléchargement gratuit).

Figure 4 : Machine à états finis à cinq états (source : BarqEE)

La MSE contrôle la sélection des relais : chaque état correspond à un ratio de prise d'autotransformateur spécifique, comme résumé dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Ratios de prise d'autotransformateur par état (source : BarqEE)

État	Ratio de prise
0	220/135 ≈ 1,63
1	196/135 ≈ 1,45
2	220/174 ≈ 1,26
3	196/174 ≈ 1,13
4	220/220 = 1

Les transitions d'état se produisent quand la tension de sortie détectée sort de la bande 200 V-240 V. Des délais d'environ 0,5 s empêchent le cliquetis des relais pendant les excursions transitoires.

La sur-tension et la sous-tension sont détectées par les comparateurs ACMP2 et ACMP3. Après un débouncing de 50 ms, la logique désactive RL4 et active la LED correspondante.

Validation expérimentale

Configuration matérielle

Figure 6 : Banc de test prototype (source : BarqEE)

Le harnais de test utilise un Variac pour balayer la tension d'entrée, un oscilloscope pour capturer les formes d'onde, et une carte de développement GreenPAK pour piloter les relais.

Circuit PCB et relais

Figure 7 : Disposition PCB (source : BarqEE)

La carte héberge les drivers de relais, BJTs et composants auxiliaires.

Métriques de performance

• Charge : 450 VA – 550 VA
• Tension d'entrée : 125 V – 240 V
• Tension de sortie : 200 V – 240 V
• Fréquence : 50 Hz – 60 Hz
• Résistance d'isolement : > 5 MΩ
• Temps de réponse : 10 ms – 15 ms
• Élévation de température du transformateur : 65 °C – 70 °C à 1,2× charge nominale
• Efficacité : > 95 %
• Plage de température ambiante : –40 °C à 0 °C

Analyse de forme d'onde

Figure 8 : Résultats oscilloscopiques quantitatifs (source : BarqEE)

L'AVR suit la tension d'entrée et maintient la sortie dans la bande cible en cyclant à travers les prises de relais.

Figure 9 : Régulation normale (source : BarqEE)

Quand l'entrée monte vers la limite supérieure, l'AVR passe au ratio de prise le plus bas (1,00) pour ramener la sortie à 200 V-240 V.

Figure 10 : Approche de la sur-tension (source : BarqEE)

Pendant une excursion de sur-tension, RL4 s'ouvre et la sortie s'effondre, protégeant la charge.

Figure 11 : Protection contre la sur-tension (source : BarqEE)

Une protection analogue se produit en conditions de sous-tension, comme illustré aux Figures 12 et 13.

Figure 12 : Approche de la sous-tension (source : BarqEE)

Figure 13 : Protection contre la sous-tension (source : BarqEE)

Tout au long de la régulation, la fréquence et la phase de sortie restent identiques à l'entrée.

Conclusion

Les ASICs programmables comme le GreenPAK SLG46537V peuvent remplacer les contrôleurs AVR discrets et les microcontrôleurs, offrant une régulation de tension fiable à moindre coût et surface de PCB. Le prototype démontre la faisabilité de cette approche pour les applications résidentielles et industrielles, et l'architecture peut être étendue à des contrôleurs plus complexes en tirant parti d'ASICs avec des états MSE supplémentaires.

---

Aamir Hussain Chughtai est doctorant en génie électrique à LUMS, Lahore. Ses recherches portent sur le traitement du signal, l'apprentissage automatique et l'IoT. Il a cofondé BarqEE et peut être contacté à chughtaiah@barqee.com.

Muhammad Saqib détient un M.S. en génie électrique de NUCES, Lahore. Son expertise inclut l'électronique de puissance, les systèmes embarqués et l'instrumentation. Il a cofondé BarqEE et peut être joint à saqib.awan@barqee.com.

Contenus connexes :

• SoCs entièrement programmables — Une nouvelle race de dispositifs
• Calcul embarqué haute performance — Accélérateurs matériels
• Conception d'un système de rétroaction rapide pour des designs miniaturisés à moteur
• Échantillonnage analogique : que signifient précision, sensibilité, exactitude et bruit ?
• Économiser l'énergie avec les relais et solénoïdes

Abonnez-vous à la newsletter hebdomadaire d'Embedded pour plus de contenu embarqué.