プログラマブルGreenPAK ASICを活用した効率的なAVR開発

最新の自動電圧レギュレータ（AVR）はデジタル制御に依存する傾向が強まっていますが、Dialog SemiconductorのGreenPAK SLG46537Vのようなプログラマブル混信号ASICが提供するコスト効率とコンパクトさは、特にポータブルAVRユニットにおいて大きな価値を発揮します。

AVRの役割と用途

AVRは一般に電圧スタビライザと呼ばれ、電源変動を補償して安定した出力電圧を維持します。船舶用発電機、非常用電源システム、石油掘削装置に不可欠であり、エアコンや冷蔵庫などの家電製品を電圧異常から保護します。

電力会社にとって、配電網全体での正確な電圧調整は電力品質の要です。南アジアなどの地域では、電力窃盗や発電不足が負荷遮断と電圧変動を引き起こすため、ポータブルAVRが一般的な防衛手段となっています。

従来設計からGreenPAKへ

従来のAVR設計は、タップ付き自己変圧器とリレー駆動フィードバックループを採用します。回路は入出力電圧を監視する検出部と、リレーを駆動して適切な変圧器タップを選択する制御部で構成されます。歴史的にはオペアンプICとアナログ比較子で実装され、より最近では8ビットマイコンが用いられてきました。しかし、GreenPAKプラットフォームは、別個のMCUファームウェアを不要にし、より低コスト・小フットプリントで同等の機能を提供します。

以下のセクションでは、SLG46537VをAVRコントローラとして構成する方法、完全なシステムアーキテクチャ、プロトタイプの実験結果を詳述します。

システムアーキテクチャ

図1はAVRのブロック図を示します。AC出力はGreenPAKに適したDCレベルに調整され、GreenPAKは電磁リレーを駆動して適切な自己変圧器タップを選択します。コントローラはリレー駆動回路にも電力を供給し、LEDステータス表示も提供します。

図1：機能ブロック図（出典：BarqEE）

AVRの主要仕様は以下の通りです：

• 入力電圧：125V〜240V
• 調整出力：200V〜240V
• 低電圧保護（<180V）と過電圧保護（>255V）で出力を遮断
• 4つの電磁リレーで自己変圧器タップ（135V、174V、196V、220V）と安全リレーを駆動
• 出力波形と周波数は入力と一致
• コスト効率の良いコントローラ設計
• 正常、過電圧、低電圧状態のLEDインジケータ

これらのパラメータはGreenPAKファームウェアで調整可能で、他の用途にも適応できます。

機能実装

図2：詳細なAVRアーキテクチャ（出典：BarqEE）

電源調整

商用ACを12Vに降圧し、さらに5VDCに安定化してGreenPAKに給電します。

電圧検出

出力AC（Live_out）を減衰、整流、平滑化して安定したDC基準（Vsense）を生成します。0.01のスケーリング係数で200VACを約2VDCに変換し、ICの入力範囲に合わせます。

GreenPAK制御

VsenseをGreenPAKの比較子とステートマシンに入力。デジタル出力でトランジスタベースのリレードライバとLEDステータスを駆動します。GreenPAKのIO設定回路図を図3に示します。

図3：GreenPAK設計回路図（出典：BarqEE）

リレー駆動

3つのリレー（RL1〜RL3）で変圧器入力を4つのタップ間で切り替えます。4つ目のリレー（RL4）は保護条件下で出力を遮断します。

GreenPAKロジック設計

GreenPAK Designerファイルはこちらから無料ダウンロード可能です。

図4：5ステート有限ステートマシン（出典：BarqEE）

FSMがリレー選択を制御し、各ステートが特定の自己変圧器タップ比に対応します（表1）。

表1：ステート別自己変圧器タップ比（出典：BarqEE）

ステート	タップ比
0	220/135 ≈ 1.63
1	196/135 ≈ 1.45
2	220/174 ≈ 1.26
3	196/174 ≈ 1.13
4	220/220 = 1

検知出力電圧が200V〜240Vの帯域を外れるとステート遷移が発生します。約0.5秒の遅延を設け、過渡的な変動時のリレーチャタリングを防止します。

過電圧と低電圧は比較子ACMP2とACMP3で検出。50msのデバウンス後、ロジックがRL4を無効化し、対応するLEDを点灯させます。

実験検証

ハードウェアセットアップ

図6：プロトタイプテストベンチ（出典：BarqEE）

テストハーネスは、入力電圧をスイープするバリアック、波形を取得するオシロスコープ、リレーを駆動するGreenPAK開発ボードで構成されます。

PCBとリレー回路

図7：PCBレイアウト（出典：BarqEE）

基板上にリレードライバ、BJT、付属部品を実装。

性能指標

• 負荷：450VA〜550VA
• 入力電圧：125V〜240V
• 出力電圧：200V〜240V
• 周波数：50Hz〜60Hz
• 絶縁抵抗：> 5MΩ
• 応答時間：10ms〜15ms
• 変圧器温度上昇：定格1.2倍負荷で65℃〜70℃
• 効率：> 95%
• 周囲温度範囲：-40℃〜0℃

波形解析

図8：定量的オシロスコープ結果（出典：BarqEE）

AVRは入力電圧を追従し、リレータップを切り替えて出力を目標帯域内に維持します。

図9：正常な調整動作（出典：BarqEE）

入力が上限に近づくと、AVRは最低タップ比（1.00）に切り替えて出力を200V〜240Vに戻します。

図10：過電圧接近時（出典：BarqEE）

過電圧発生時、RL4が開放し出力が崩壊、負荷を保護します。

図11：過電圧保護動作（出典：BarqEE）

同様に低電圧条件下でも保護動作が働きます（図12、13）。

図12：低電圧接近時（出典：BarqEE）

図13：低電圧保護動作（出典：BarqEE）

調整中も出力周波数と位相は入力と同一です。

結論

GreenPAK SLG46537VのようなプログラマブルASICは、個別のAVRコントローラやマイコンを置き換え、より低コスト・少ない基板面積で信頼性の高い電圧調整を実現します。プロトタイプはこのアプローチの実現可能性を住宅用および産業用アプリケーションで実証し、より多くのFSMステートを持つASICを活用することで、より複雑なコントローラへのスケーリングも可能です。

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Aamir Hussain Chughtai氏はLUMSラホールの電気工学博士課程在籍。信号処理、機械学習、IoTを研究。BarqEE共同創業者。chughtaiah@barqee.com

Muhammad Saqib氏はNUCESラホールで電気工学修士。パワーエレクトロニクス、組み込みシステム、計装が専門。BarqEE共同創業者。saqib.awan@barqee.com

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