基于復合耦合技術(shù)的低壓電力線(xiàn)載波通信接口電路設計

　　電力線(xiàn)通信(PowerLineCommunication，PLC)是以電力網(wǎng)作為信道，進(jìn)行載波通信的一種有線(xiàn)通信方式。PLC在歐洲(德國、英國、瑞典等)發(fā)展得較快，最近，英國在電力線(xiàn)媒介開(kāi)發(fā)方面取得了突破性進(jìn)展，用戶(hù)可通過(guò)電力線(xiàn)進(jìn)入Internet網(wǎng)，從簡(jiǎn)單的數據傳輸提高到了網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接。

　　中國電力系統也已組建國電通信中心，并向信息產(chǎn)業(yè)部正式申請了牌照。國家電力公司計劃在2015年建成全國統一的聯(lián)合電力網(wǎng)通信系統。

　　但是，低壓電力線(xiàn)是一種通信環(huán)境非常惡劣的信道，許多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。低壓電力線(xiàn)傳送著(zhù)220V/50Hz的電能，在低壓電力線(xiàn)上并接了許多不同阻抗的用電器。低壓電力線(xiàn)的這一固有特點(diǎn)，給低壓電力線(xiàn)通信帶來(lái)了很大的困難。因此，低壓電力線(xiàn)通信必須首先解決以下2個(gè)難題:

　　(1)電力網(wǎng)50Hz的工頻信號不能給載波通信系統帶來(lái)太大的干擾，同時(shí)，考慮到整個(gè)通信系統的安全，必須進(jìn)行強電隔離;(2)低壓電力線(xiàn)上并接的所有用電器的“統計載波阻抗”要高，以確保較高的載波信號加載效率。

　　上述問(wèn)題，正是低壓電力線(xiàn)通信的接口技術(shù)問(wèn)題，以下從這兩方面介紹其設計原理和實(shí)現方法。

　　1接口電路的模型

　　根據低壓電力線(xiàn)通信接口技術(shù)的要求:①必須進(jìn)行強電隔離;②確保較高的載波信號加載效率。為此，就必須采用“電磁耦合”與“阻容耦合”相結合的“復合耦合技術(shù)”。接口電路模型如圖1所示。

圖1接口電路模型。

　　該電路的關(guān)鍵物理量是2個(gè)回路中的電流i1(t)和i2(t)。由基爾霍夫第二定律可得出該電路的數學(xué)模型:
　　
式中，設i′、i″分別為i的一、二階導數，則：
　　
對于式(1)，通過(guò)不同的處理將得到不同的數學(xué)模型。對圖1所示的雙RLC耦合回路進(jìn)行去耦處理，得到2個(gè)獨立的RLC串聯(lián)回路。對式(1)求導，則可得到二元二階方程組：
　　
式(2)同時(shí)含有2個(gè)未知函數i1(t)和i2(t)的二階導數，不便直接求解。

　　若將RLC串聯(lián)回路表示成二元一階方程，則由2個(gè)RLC回路便可得到四元一階方程組：

該方程組含有4個(gè)未知數:i1(t)，i2(t)，uc1(t)，uc2(t)，其定解條件直接由電路的初始儲能情況給出。當無(wú)初始儲能時(shí)，為齊次初始條件，即：

設所有電路元件都是非時(shí)變性元件，則所對應的常系數線(xiàn)性一階常微分方程組可轉化成線(xiàn)性代數方程組進(jìn)行求解。

　　通過(guò)對上述接口電路數學(xué)模型的分析、化簡(jiǎn)可知，基于“復合耦合技術(shù)”的接口電路模型，電路的主要參數是可以通過(guò)線(xiàn)性代數方程組進(jìn)行求解，接口電路的原理清晰，計算復雜度較小，符合低壓電力線(xiàn)載波通信要求，是簡(jiǎn)潔、可行的。

　　2ST7538電力線(xiàn)接口電路的設計

　　2.1ST7538調制解調芯片

　　ST7538載波芯片是一款為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信而設計的半雙工、同步/異步FSK調制解調器芯片。ST7538內部集成了發(fā)送和接收數據的所有功能，通過(guò)串行通信，可以方便地與微處理器相連接，且只要通過(guò)耦合變壓器等少量外部器件，即可連接到電力網(wǎng)中。ST7538功能強大、集成度很高，采取了多種抗干擾技術(shù)，如果能夠很好地利用其多頻段性，就可以克服窄帶通信的缺點(diǎn)。ST7538作為很有代表性的窄帶通信芯片，在遠程抄表、燈光控制、智能家電等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應用。

　　除此之外，該芯片還有以下主要特點(diǎn):

　　(1)有8個(gè)可編程(載波)頻率，即60、66、72、76、82.05、86、110、132.5kHz;(2)內部集成電力線(xiàn)驅動(dòng)接口，并且提供可編程電壓控制和電流控制;(3)可編程通信速率高達4800b/s;(4)極低的功耗，在接收狀態(tài)下功耗只有5mW;(5)接收靈敏度很高，接收靈敏度為1mVRMS。

　　2.2接口電路框圖

　　ST7538電力線(xiàn)收發(fā)信號通道框圖設計如圖2所示。接收信號通道由耦合電路、濾波電路、保護電路、電壓放大電路組成。發(fā)送信號通道由電壓放大電路、功率放大電路、濾波電路、保護電路、耦合電路組成。

　　電力線(xiàn)接口首先是一個(gè)耦合電路，用于FSK信號的傳輸與接收，同時(shí)也是一個(gè)濾波系統，能可靠地過(guò)濾掉220V/50Hz的電力信號、噪聲信號和浪涌信號。

圖2ST7538的電力線(xiàn)收發(fā)信號通道框圖。

　　由于希望系統使用時(shí)有較遠的通信距離，就必須要求模塊發(fā)送端有足夠大的功率輸出，而大輸出功率的放大電路不宜長(cháng)時(shí)間連續工作，否則容易過(guò)熱損壞;若設計高要求的大輸出功放。功放是功率放大器的簡(jiǎn)稱(chēng)，即是在以定的失真率范圍內，能產(chǎn)生最大功率輸出來(lái)驅動(dòng)某一負載(例如揚聲器)的放大器，通常主機的額定輸出功率不能勝任帶動(dòng)整個(gè)音響系統，這時(shí)候就需要用到功放。由此可見(jiàn)，功放在一定程度上決定了系統輸出的音質(zhì)。

　　電路，會(huì )增加系統成本。為此，系統采用如圖2框圖中的發(fā)送放大電路電源控制，使系統只有處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)發(fā)送電路中的電壓放大和功率放大電路才能得到合適的工作電源而工作;系統處于接收狀態(tài)時(shí)，發(fā)送電路中的電壓放大和功率放大電路因得不到電源而不工作;而模塊中的接收信號通路的電壓放大電路是始終工作的。

　　2.3耦合保護窄帶濾波接口電路

　　根據上述接口電路的模型，可設計出低壓電力線(xiàn)通信發(fā)送端的接口電路，如圖3所示。

圖3載波發(fā)送端接口電路。

　　在發(fā)送電路中，三極管和變壓器組成調諧功率放大電路。該諧振變壓器TRANS4有著(zhù)雙重作用:①耦合載波信號;②使通信電路與220V/50Hz的強電隔離，C14為耦合電容。

　　前級功放輸出的信號經(jīng)諧振網(wǎng)絡(luò )選頻，耦合到交流電力線(xiàn)上，其調諧回路的諧振頻率應滿(mǎn)足：

若將中心頻率選在82.05kHz，C11=1000pF，經(jīng)計算可得電感能產(chǎn)生電感作用的元件統稱(chēng)為電感原件，常常直接簡(jiǎn)稱(chēng)為電感。電感器在電子制作中雖然使用得不是很多，但它們在電路中同樣重要。我們認為電感器和電容器一樣，也是一種儲能元件，它能把電能轉變?yōu)榇艌?chǎng)能，并在磁場(chǎng)中儲存能量。

　　L的取值在3.76mH左右。實(shí)用時(shí)，一般通過(guò)調節變壓器一次繞組電感量來(lái)調節中心頻率。C10=0.56μF，經(jīng)計算可得電感L4=6.73μF(實(shí)用L4=6.8μF)，變壓器設計為部分接入功放，①考慮阻抗匹配的需要;②使變壓器及電力線(xiàn)側負載變化對諧振特性的影響最小。選取在電力線(xiàn)上的元件C10、C11、R35、CNR、L4時(shí)，既要考慮它們的通載波、隔離220V/50Hz的強電能力，還要考慮器件的耐壓和功率、電路使用的安全及有效性。R35、CNR還兼有展寬通頻帶的作用，但信號增益有所下降。

　　變壓器TRANS4將電力線(xiàn)與接口電路的其余部分相隔離，發(fā)送信號送至電力線(xiàn);然后，從電力線(xiàn)上取接收載波信號;最后，濾除來(lái)自電力線(xiàn)上的干擾噪聲。

　　信號經(jīng)變壓器二次側、L4、C11、C10、CNR、R35耦合至電力線(xiàn)上，變壓器二次側、L4、C11、C10、CNR、R35組成了帶通濾波器，而低壓電力線(xiàn)阻抗R具有時(shí)變特性。由此，可計算出經(jīng)變壓器二次側、L4、C11、C10、CNR、R35和低壓電力線(xiàn)阻抗R組成的雙口網(wǎng)絡(luò )的電壓轉移函數:

式中，R、C、L分別為雙口網(wǎng)絡(luò )的等效電阻、電容、電感。

　　低壓電力線(xiàn)通信接收端的接口電路如圖4所示。電力線(xiàn)側的接口電路部分接收和發(fā)送信號共用，接收信號時(shí)，信號從交流220V的插座送入電力線(xiàn)，經(jīng)0.5A熔斷器保護電路，由C10、CNR、R35、C11、變壓器線(xiàn)圈組成的降壓選頻電路(中心頻率設計為82.05kHz)及變壓器耦合后，經(jīng)由C12、C13及變壓器線(xiàn)圈組成的并聯(lián)諧振回路選頻，再經(jīng)L3、C9組成的濾波耦合到運放進(jìn)行電壓放大及整形，放大整形后的信號輸入到電力線(xiàn)載波芯片。

圖4載波接收端接口電路。

　　3接口電路的仿真試驗