[微機繼電保護測試儀]基于復合耦合技術的低壓電力線載波通信接口電路設計

電力線通信（PowerLineCommunication，PLC）是以電力網作為信道，進行載波通信的一種有線通信方式。PLC在歐洲（德國、英國、瑞典等）發展得較快，zui近，英國在電力線媒介開發方面取得了突破性進展，用戶可通過電力線進入Internet網，從簡單的數據傳輸提高到了網絡聯接。

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

但是，低壓電力線是一種通信環境非常惡劣的信道，許多問題有待進一步研究。低壓電力線傳送著220V/50Hz的電能，在低壓電力線上并接了許多不同阻抗的用電器。低壓電力線的這一固有特點，給低壓電力線通信帶來了很大的困難。因此，低壓電力線通信必須首先解決以下2個難題:

（1）電力網50Hz的工頻信號不能給載波通信系統帶來太大的干擾，同時，考慮到整個通信系統的安全，必須進行強電隔離;（2）低壓電力線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。

上述問題，正是低壓電力線通信的接口技術問題，以下從這兩方面介紹其設計原理和實現方法。

1接口電路的模型

根據低壓電力線通信接口技術的要求:①必須進行強電隔離;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”。接口電路模型如圖1所示。

圖1接口電路模型。

該電路的關鍵物理量是2個回路中的電流i1（t）和i2（t）。由基爾霍夫第二定律可得出該電路的數學模型:

式中，設i′、i″分別為i的一、二階導數，則：

對于式（1），通過不同的處理將得到不同的數學模型。對圖1所示的雙RLC耦合回路進行去耦處理，得到2個獨立的RLC串聯回路。對式（1）求導，則可得到二元二階方程組：

式（2）同時含有2個未知函數i1（t）和i2（t）的二階導數，不便直接求解。

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

該方程組含有4個未知數: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。當無初始儲能時，為齊次初始條件，即：

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

通過對上述接口電路數學模型的分析、化簡可知，基于“復合耦合技術”的接口電路模型，電路的主要參數是可以通過線性代數方程組進行求解，接口電路的原理清晰，計算復雜度較小，符合低壓電力線載波通信要求，是簡潔、可行的。

2ST7538電力線接口電路的設計

2.1ST7538調制解調芯片

ST7538載波芯片是一款為家庭和工業領域電力線網絡通信而設計的半雙工、同步/異步FSK調制解調器芯片。ST7538內部集成了發送和接收數據的所有功能，通過串行通信，可以方便地與微處理器相連接，且只要通過耦合變壓器等少量外部器件，即可連接到電力網中。ST7538功能強大、集成度很高，采取了多種抗干擾技術，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。ST7538作為很有代表性的窄帶通信芯片，在遠程抄表、燈光控制、智能家電等領域已經有了廣泛的應用。

除此之外，該芯片還有以下主要特點:

（1）有8個可編程（載波）頻率，即60、66、72、76、82.05、86、110、132.5kHz;（2）內部集成電力線驅動接口，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電力線收發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。

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

圖2ST7538的電力線收發信號通道框圖。

由于希望系統使用時有較遠的通信距離，就必須要求模塊發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時間連續工作，否則容易過熱損壞;若設計高要求的大輸出功放。功放是功率放大器的簡稱，即是在以定的失真率范圍內，能產生zui大功率輸出來驅動某一負載（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整個音響系統，這時候就需要用到功放。由此可見，功放在一定程度上決定了系統輸出的音質。

電路，會增加系統成本。為此，系統采用如圖2框圖中的發送放大電路電源控制，使系統只有處于發送狀態時發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;系統處于接收狀態時，發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通信發送端的接口電路，如圖3所示。

圖3載波發送端接口電路。

在發送電路中，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諧振網絡選頻，耦合到交流電力線上，其調諧回路的諧振頻率應滿足：

若將中心頻率選在82.05kHz，C11=1000pF，經計算可得電感能產生電感作用的元件統稱為電感原件，常常直接簡稱為電感。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，它能把電能轉變為磁場能，并在磁場中儲存能量。

L的取值在3.76mH左右。實用時，一般通過調節變壓器一次繞組電感量來調節中心頻率。C10=0.56μF，經計算可得電感L4=6.73μF（實用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使變壓器及電力線側負載變化對諧振特性的影響zui小。選取在電力線上的元件C10、C11、R35、CNR、L4時，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將電力線與接口電路的其余部分相隔離，發送信號送至電力線;然后，從電力線上取接收載波信號;zui后，濾除來自電力線上的干擾噪聲。

信號經變壓器二次側、L4、C11、C10、CNR、R35耦合至電力線上，變壓器二次側、L4、C11、C10、CNR、R35組成了帶通濾波器，而低壓電力線阻抗R具有時變特性。由此，可計算出經變壓器二次側、L4、C11、C10、CNR、R35和低壓電力線阻抗R組成的雙口網絡的電壓轉移函數:

式中，R、C、L分別為雙口網絡的等效電阻、電容、電感。

低壓電力線通信接收端的接口電路如圖4所示。電力線側的接口電路部分接收和發送信號共用，接收信號時，信號從交流220V的插座送入電力線，經0.熔斷器保護電路，由C10、CNR、R35、C11、變壓器線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，經由C12、C13及變壓器線圈組成的并聯諧振回路選頻，再經L3、C9組成的濾波耦合到運放進行電壓放大及整形，放大整形后的信號輸入到電力線載波芯片。

圖4載波接收端接口電路。

3接口電路的仿真試驗堍

分析

根據接口電路的電壓轉移函數，對雙口網絡進行計算機仿真分析。在此，重點分析在不同低壓電力線阻抗條件下帶通濾波器的通頻帶，即該接口電路的頻率特性。頻率特性是*價該接口電路耦合性能的一項重要指標。仿真顯示，當電力線電阻為2、10、20、50、70、100Ω時，幅頻特性情況如表1和表2所示。

對50Hz/220V強電的相對抑制力（dB）=

表1不同電力線阻抗及不同中心頻率下的輸出幅度（Uop/V）輸入信號幅度=1V。

表2不同電力線阻抗的上、下限截止頻率及通頻帶。

從表1和表2的分析結果可見:電力線阻抗越大，接口電路的通頻帶就越寬，對信號的耦合性能也就越好，但選擇性差;反之，電力線阻抗越小，接口電路的通頻帶越窄，對信號的耦合性能就越差，但選擇性好。經統計分析知，低壓電力線的統計阻抗一般在5～15Ω之間[2]。因此，ST7538電力線載波芯片所使用的60～132.5kHz的載波信號均在通頻帶（衰減小于3 dB）范圍內。也就是說，以82.05kHz作為低壓電力線通信接口電路的中心頻率是合理的。用電力線載波芯片ST7538其他載波頻率來收、發信號，也可用此接口電路。此接口電路有如下特性:①滿足載波發射高阻抗的要求，提高了載波的加載效率;②在滿足信號的耦合性能的同時，還兼顧對頻率選擇性的要求，從而提高了系統的抗干擾能力。

在電路的具體安裝和調試過程中，通過調節電感磁來調節電感量，使通頻帶達到*。在基于電力線載波芯片ST7538低壓電力線載波通信實驗中，選用82.05kHz作為低壓電力線通信的中心頻率，設負載阻抗為5～15Ω。試驗結果表明，能準確地實現點控、群控燈組（實現數據通信）;能實現語音信號（信號中心頻率1kHz，頻率范圍0.02～10kHz）的傳輸（實現模擬通信）;能實現對正弦波形信號（頻率范圍0.01～100kHz）的傳輸（實現模擬通信）。

4結語

基于“電磁耦合”與“阻容耦合”相結合的“復合耦合技術”，建立了低壓電力線載波通信的接口電路”的數學模型，由此設計了基于ST7538的低壓電力線載波通信的接口電路。仿真試驗結果表明:該接口電路既有較高的載波信號加載效率，較好的幅頻特性，又能*地隔離電力網50Hz的工頻信號，且接口電路的通用性強，故可廣泛應用于低壓電力線通信系統。
 

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