최신 자동 전압 조절기(AVR)는 점점 더 디지털 제어에 의존하지만, Dialog Semiconductor의 GreenPAK SLG46537V 같은 프로그래머블 혼성 신호 ASIC이 제공하는 비용 효율적이고 콤팩트한 솔루션은 휴대용 AVR 장치에 특히 가치가 있음을 입증하고 있습니다.
전압 안정기라고도 하는 AVR은 공급 전압의 변동을 보상하여 안정적인 출력 전압을 유지합니다. 이들은 선박의 발전기, 비상 전력 시스템, 석유 시추 설비에 필수적이며, 에어컨과 냉장고 같은 가전제품을 전압 이상으로부터 보호합니다.
전력 회사에서는 배전 네트워크 전반의 정확한 전압 조절이 전력 품질에 필수적입니다. 남아시아 같은 지역에서는 전력 도난과 발전 부족으로 인한 부하 차단과 전압 변동이 발생하여 휴대용 AVR이 인기 있는 보호 장치가 되었습니다.
전통적인 AVR 설계는 탭이 있는 자동 변압기와 릴레이 구동 피드백 루프를 사용합니다. 회로는 일반적으로 입력 및 출력 전압을 모니터링하는 감지 유닛과 릴레이를 구동하여 올바른 변압기 탭을 선택하는 조절 유닛으로 구성됩니다. 역사적으로 이 피드백은 오피앰프 IC와 아날로그 비교기로 구현되었으며, 최근 설계에서는 8비트 마이크로컨트롤러를 사용합니다. 그러나 GreenPAK 플랫폼은 별도의 MCU 펌웨어 없이 동등한 기능을 더 낮은 비용과 풋프린트로 제공합니다.
그림 1은 AVR의 블록 다이어그램을 보여줍니다. AC 출력은 GreenPAK에 적합한 DC 레벨로 컨디셔닝되며, 이는 다시 전자 기계식 릴레이를 구동하여 적절한 자동 변압기 탭을 선택합니다. 컨트롤러는 릴레이 구동 회로에 전원을 공급하고 LED 상태 표시기도 제공합니다.
그림 1: 기능 블록 다이어그램 (출처: BarqEE)
AVR의 주요 사양은 다음과 같습니다:
이 파라미터들은 GreenPAK 펌웨어에서 다른 애플리케이션에 맞게 조정 가능합니다.
그림 2: 상세 AVR 아키텍처 (출처: BarqEE)
활선 AC를 12V로 강압한 후 5VDC로 정류하여 GreenPAK에 전원을 공급합니다.
출력 AC(Live_out)를 감쇠, 정류, 필터링하여 안정적인 DC 기준(Vsense)을 생성합니다. 0.01 스케일링 팩터로 200VAC를 약 2VDC로 변환하여 IC의 입력 범위에 맞춥니다.
Vsense는 GreenPAK의 비교기와 스테이트 머신에 공급됩니다. 디지털 출력은 트랜지스터 기반 릴레이 드라이버와 LED 상태 표시등을 구동합니다. GreenPAK IO 구성의 회로도는 그림 3에 나와 있습니다.
그림 3: GreenPAK 설계 회로도 (출처: BarqEE)
3개의 릴레이(RL1~RL3)가 변압기 입력을 4개의 탭 사이에서 전환합니다. 4번째 릴레이(RL4)는 보호 조건에서 출력을 차단합니다.
GreenPAK Designer 파일은 여기에서 무료 다운로드 가능합니다.
그림 4: 5상태 유한 상태 머신 (출처: BarqEE)
FSM은 릴레이 선택을 제어하며, 각 상태는 표 1과 같이 특정 자동 변압기 탭 비율에 매핑됩니다.
표 1: 상태별 자동 변압기 탭 비율 (출처: BarqEE)
| 상태 | 탭 비율 |
|---|---|
| 0 | 220/135 ≈ 1.63 |
| 1 | 196/135 ≈ 1.45 |
| 2 | 220/174 ≈ 1.26 |
| 3 | 196/174 ≈ 1.13 |
| 4 | 220/220 = 1 |
감지된 출력 전압이 200V~240V 대역을 벗어나면 상태 전이가 발생합니다. 약 0.5초의 지연으로 과도 상태 중 릴레이 채터링을 방지합니다.
과전압과 저전압은 비교기 ACMP2와 ACMP3로 감지됩니다. 50ms 디바운스 후 로직은 RL4를 비활성화하고 해당 LED를 활성화합니다.
그림 6: 프로토타입 테스트 벤치 (출처: BarqEE)
테스트 하네스는 입력을 스위핑하기 위한 바리악, 파형 캡처용 오실로스코프, 릴레이를 구동하기 위한 GreenPAK 개발 보드를 사용합니다.
그림 7: PCB 레이아웃 (출처: BarqEE)
보드에는 릴레이 드라이버, BJT, 보조 부품이 탑재되어 있습니다.
그림 8: 정량적 오실로스코프 결과 (출처: BarqEE)
AVR은 입력 전압을 추적하며 릴레이 탭을 순환하여 출력을 목표 대역 내로 유지합니다.
그림 9: 정상 조절 (출처: BarqEE)
입력이 상한에 가까워지면 AVR은 최저 탭 비율(1.00)로 전환하여 출력을 200V~240V로 되돌립니다.
그림 10: 과전압 접근 (출처: BarqEE)
과전압 상황에서 RL4가 열리고 출력이 붕괴되어 부하를 보호합니다.
그림 11: 과전압 보호 (출처: BarqEE)
저전압 조건에서도 유사한 보호가 발생하며, 그림 12와 13에 나와 있습니다.
그림 12: 저전압 접근 (출처: BarqEE)
그림 13: 저전압 보호 (출처: BarqEE)
조절 과정에서 출력 주파수와 위상은 입력과 동일하게 유지됩니다.
GreenPAK SLG46537V 같은 프로그래머블 ASIC은 개별 AVR 컨트롤러와 마이크로컨트롤러를 대체하여, 더 낮은 비용과 PCB 면적으로 신뢰할 수 있는 전압 조절을 제공합니다. 프로토타입은 이 접근법이 주거용 및 산업용 애플리케이션에 실현 가능함을 입증하며, 추가 FSM 상태를 가진 ASIC을 활용하면 더 복잡한 컨트롤러로 확장할 수 있습니다.
Aamir Hussain Chughtai는 LUMS 라호르의 전기공학 박사 과정생입니다. 연구 분야는 신호 처리, 머신러닝, IoT입니다. BarqEE를 공동 설립했으며 chughtaiah@barqee.com으로 연락 가능합니다.
Muhammad Saqib은 NUCES 라호르에서 전기공학 석사를 취득했습니다. 전문 분야는 파워 일렉트로닉스, 임베디드 시스템, 계측입니다. BarqEE를 공동 설립했으며 saqib.awan@barqee.com으로 연락 가능합니다.
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