---安捷倫HCPL-8100/0810是一種高電流線路驅(qū)動(dòng)器,適用于在低壓(120/240VAC)和中壓(2kV)接入市電上實(shí)現(xiàn)電力線通信,其主要功能是為電力線收發(fā)機(jī)提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力。除線路驅(qū)動(dòng)器功能外,HCPL-8100/0810具有許多內(nèi)置功能,如電壓不足檢測(cè)、負(fù)荷檢測(cè)、溫度過(guò)高檢測(cè)和狀態(tài)輸出。圖2是HCPL-8100/0810簡(jiǎn)化的方框圖。---HCPL-8100/0810可以用來(lái)把發(fā)送的信號(hào)從電力線調(diào)制解調(diào)器(PLM)收發(fā)機(jī)直接耦合到電力線中,而不需通過(guò)信號(hào)變壓器或光學(xué)隔離器,圖3說(shuō)明了怎樣實(shí)現(xiàn)非隔離信號(hào)耦合。
---HCPL-8100/0810可以在3.5Vpp時(shí)為9～450kHz的信號(hào)頻率提供高達(dá)1App的電流。耦合使用簡(jiǎn)單的LC網(wǎng)絡(luò)完成,LC網(wǎng)絡(luò)濾掉市電頻率(50Hz和諧波),為來(lái)自收發(fā)機(jī)的載波信號(hào)提供調(diào)諧的傳輸頻帶。
---通過(guò)采用發(fā)送濾波器獲得正弦曲線載波輸入,設(shè)備的線路驅(qū)動(dòng)輸出可以實(shí)現(xiàn)EN50065國(guó)際規(guī)范/標(biāo)準(zhǔn)要求的非常低的諧波失真(對(duì)第二個(gè)諧波及更高的諧波,應(yīng)好于-60dBμVRMS)電力線信號(hào)。
---HCPL-8100/0810還可以與隔離信號(hào)耦合接口一起使用。盡管HCPL-8100/0810線路驅(qū)動(dòng)器在全負(fù)荷時(shí)3.5Vpp的線路驅(qū)動(dòng)器輸出電壓對(duì)大多數(shù)電力線通信已經(jīng)足夠了,但某些應(yīng)用如自動(dòng)抄表(AMR)要求更高的載波信號(hào)電壓。EN50065-1規(guī)范的Class-122允許對(duì)95～148.5kHz之間的載頻,在電力線市電上實(shí)現(xiàn)高達(dá)7Vpp的信號(hào)電壓。
---圖4所示的耦合接口把電力線收發(fā)機(jī)的差分輸出通過(guò)雙HCPL-8100/0810線路驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)變壓器連接到交流市電上,帶有通過(guò)信號(hào)變壓器的單端輸出,為發(fā)送的信號(hào)提供高效的7Vpp驅(qū)動(dòng)電路,為低頻交流市電電壓(240VAC、50Hz或120VAC、60Hz)、噪聲和噪聲突發(fā)和浪涌提供可靠的濾波系統(tǒng)。由于能夠降低發(fā)送信號(hào)的偶次諧波,推薦使用這種差分解決方案。
---對(duì)只提供單端發(fā)射機(jī)輸出的收發(fā)機(jī),建議采用圖5中的電路。該電路提供了一種簡(jiǎn)單的方法,可以使驅(qū)動(dòng)電壓翻一番(提高6dB),而不會(huì)通過(guò)串聯(lián)兩個(gè)線路驅(qū)動(dòng)器而損害電流驅(qū)動(dòng)能力。對(duì)低于70kHz的載頻,CENELEC規(guī)范中允許超過(guò)7Vpp的電力線信號(hào)電壓。通過(guò)提高信號(hào)變壓器T1的線圈比率,可以實(shí)現(xiàn)這種信號(hào)電平。
---假設(shè)最大輸入信號(hào)是1.75Vpp,第一個(gè)線路驅(qū)動(dòng)器(U1)的增益設(shè)為3。Vout1將是3.5Vpp,由于HCPL-8100/0810的反轉(zhuǎn)效應(yīng),U2的Vout2輸出也是3.5Vpp,但相位與Vout1相差180°。這導(dǎo)致7Vpp信號(hào)經(jīng)過(guò)T1的主線圈。對(duì)Vin上不同的輸入信號(hào)電平,可以使用R1和R2之比調(diào)節(jié)U1階段的增益,在Vout1上獲得3.5Vpp。為在Vout1和Vout2之間實(shí)現(xiàn)180°差分,U2的增益(R4/R3)應(yīng)一直固定在單位增益上。如果電力線阻抗低于7Ω,建議使用外部電阻器R9和R10,把輸出電流限定在最大1App。電力線狀態(tài)(如短路或過(guò)流)可通過(guò)STATUS引腳為微控制器提供,這個(gè)引腳作為接地警報(bào)系統(tǒng)使用,防止U1和U2發(fā)生災(zāi)難性故障。如果通過(guò)U2的相位延遲很大,那么圖5中所示的配置將不能正常運(yùn)行。測(cè)試發(fā)現(xiàn),在400kHz載頻時(shí)的相位延遲僅約為30ns,對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言可以忽略不計(jì)。
---圖6是圖5中電路的響應(yīng)。粗線(Acl)表示閉環(huán)電壓增益,細(xì)線(Aol)則表示開環(huán)電壓增益的頻響。閉環(huán)響應(yīng)在9～450kHz的載頻范圍是平坦的,符合CENELEC EN50065要求和FCC Part 15要求。---對(duì)于100kHz載頻,在使用50Ω CISPR 16負(fù)荷及7Vpp信號(hào)和5V電源測(cè)試時(shí),諧波均為-62dBc。電路使用1:1線圈比率信號(hào)變壓器和X2級(jí)安全電容器。必須在與交流市電電壓直接接觸的所有解耦單元(線路驅(qū)動(dòng)器、變壓器和電容器)上進(jìn)行CENELEC規(guī)范/標(biāo)準(zhǔn)中列明的一系列4kV或6kV級(jí),采取一致性測(cè)試。
發(fā)送部分
---對(duì)Class 116應(yīng)用,推薦的電路使用3:1線圈比率信號(hào)變壓器。信號(hào)耦合電路的功能是允許從線路驅(qū)動(dòng)器(兩個(gè)HCPL-8100/0810的輸出)把發(fā)送信號(hào)以最大效率注入到交流市電中,同時(shí)抑制市電網(wǎng)絡(luò)上較高的諧波發(fā)出的噪聲和雜散信號(hào)。傳感干擾的臨界頻率是載波信號(hào)的第二個(gè)諧波和第三個(gè)諧波(對(duì)132.5kHz載頻來(lái)說(shuō)分別是265kHz和497.5kHz)以及任何開關(guān)電源或穩(wěn)壓器的工作頻率的諧波。開關(guān)電源噪聲可以是窄帶噪聲,也可以是寬帶噪聲。
---發(fā)射機(jī)電路使用的配置是二階帶通濾波器,兩個(gè)電極的位置采用發(fā)送載頻或132.5kHz,參見圖7。為高效設(shè)計(jì)濾波器,必須考慮各種器件的相互影響以及變壓器泄漏電感(大約0.1～10μH)、TVS電容(大約2nF)和元器件ESR的影響。如果只考慮電抗器件和變壓器(3:1圈數(shù)比率),那么可以使用圖8中簡(jiǎn)化的等效電路。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,必須考慮交流市電網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)的阻抗,其通常是一個(gè)電感負(fù)荷。如果沒(méi)有提供等效市電網(wǎng)絡(luò),可以使用參考負(fù)荷,如CISPR16-1中提供的仿真網(wǎng)絡(luò)(50Ω與5Ω及50μH并聯(lián))。最簡(jiǎn)單的電路是CISPR 16仿真網(wǎng)絡(luò)的電抗部件,為兩個(gè)50μH電感器。
---兩個(gè)電極的公式是：
---fp1=fp2=1/[2·π·√(L·C)]=132.5kHz
---其中L=101μH, C=C10。在這個(gè)頻率上,500nF/N2的影響可以忽略不計(jì)。
---在重負(fù)荷條件下,HCPL-8100/0810信號(hào)電流的峰值可能會(huì)達(dá)到0.5App以上的值,而沒(méi)有明顯失真。這意味著與信號(hào)串聯(lián)的所有耦合電路器件(包括信號(hào)變壓器)都必須能夠承載這一電流,而不會(huì)飽和或過(guò)熱。電感單元的最大電流與各個(gè)電感成比例,但隨著電感提高,其ESR也會(huì)提高。這些電感單元的ESR必須盡可能低,以實(shí)現(xiàn)良好的耦合效率。事實(shí)上,即使在串聯(lián)電阻只有1Ω時(shí),發(fā)送信號(hào)在重負(fù)荷條件下的耦合損耗仍可能會(huì)過(guò)高。因此,需要使用大型線軸磁芯電感器,保證每個(gè)電感器要求的線圈數(shù)量盡可能低。電容器C10的主要功能是抑制50Hz市電頻率,最好使用盡可能低的電容,以保證經(jīng)濟(jì)性,降低飽和效應(yīng),本設(shè)計(jì)的選擇值是220nF,并應(yīng)該采用X2級(jí)安全電容器。
---考慮到所有交流市電電壓降在C10電容器中,可以使用下述公式確定通過(guò)信號(hào)變壓器線圈的電流。
---I=240Vrms·2π·50Hz·C10=16.6mArms
---從上面的計(jì)算可以看出,16.6mArms的50Hz電流流經(jīng)線圈的交流市電一側(cè)。信號(hào)變壓器應(yīng)設(shè)計(jì)以防止這一低頻電流造成飽和。信號(hào)變壓器是這一應(yīng)用中最關(guān)鍵的器件。為提供有效的功率轉(zhuǎn)移及最大限度地降低插入損耗,建議使用主電感(在交流市電相反一側(cè))大于1mH及有效串聯(lián)電阻低于0.5Ω的變壓器。如果泄漏電感非常高,那么它將影響耦合電路的整體性能。因此,應(yīng)使用泄漏電感小于1μH的信號(hào)變壓器。歐洲CENELEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電力線通信應(yīng)用的絕緣電阻和介電強(qiáng)度。EN50065-4-2中提到兩種介電強(qiáng)度等級(jí),即4kV和6kV,這也會(huì)影響信號(hào)變壓器設(shè)計(jì)。
---為防止在負(fù)荷過(guò)高時(shí)HCPL-8100/0810發(fā)生熱關(guān)閉,較好的解決辦法是使用3:1比率變壓器。參考變壓器主負(fù)荷的同等阻抗要比1:1比率變壓器高9倍,HCPL-8100/0810提供的信號(hào)電流降低到1/3,惟一的問(wèn)題是交流市電上的輸出電平也將下降到1/3。這種隔離耦合形式的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是采用對(duì)稱結(jié)構(gòu),通過(guò)降低均勻諧波的電平,來(lái)補(bǔ)償器件的非線性度。
接收機(jī)部分
---在接收機(jī)部分增加了電阻器R12,以保證接收模式下的輸出阻抗符合CENELEC規(guī)范/標(biāo)準(zhǔn)(EN50065-7),如圖5所示。為在接收模式下有效操作,下面的HCPL-8100/0810設(shè)備應(yīng)使輸出并聯(lián)到地,可以通過(guò)利用Tx-en針腳支持設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這種接收條件下,5V TVS D1和D2作為到地的共模浪涌和突發(fā)瞬變的電壓鉗位電路使用。如果沒(méi)有它們及軌到軌保護(hù)二極管D3、D4、D5和D6,超過(guò)11V的瞬變電壓會(huì)損壞HCPL-8100/0810設(shè)備。這一配置適用于最簡(jiǎn)單的單端接收機(jī),但是單端配置不能抑制共模噪聲。為更好地抑制共模噪聲,建議使用差模接收機(jī)。圖9是132.5kHz信號(hào)使用的相應(yīng)差分接收網(wǎng)絡(luò)。
電源考慮因素
---電路板設(shè)計(jì)的一個(gè)基本考量是電源系統(tǒng)配置。建議所有接地端子都連接到一個(gè)公用接地平面及HCPL-8100/0810芯片的接地針腳上,在132.5kHz的信號(hào)傳輸過(guò)程中,電源和接地平面上將出現(xiàn)高電流(典型值高達(dá)0.265Arms,即0.75App)。如圖10所示,從HCPL-8100/0810輸出到Vcc和Gnd針腳的軌跡應(yīng)盡可能粗、盡可能短,以降低串聯(lián)電阻。如果接地或電源通路具有2mΩ或更高的電阻,那么載頻信號(hào)可能會(huì)產(chǎn)生第二次諧波波紋,并可能會(huì)通過(guò)信號(hào)變壓器耦合到市電上。假設(shè)單位(或0dB)電源抑制比(PSRR),可以通過(guò)下述公式計(jì)算諧波電平。
---0.75App·2mΩ=1.5mVpp= 54.5dBμVrms
---如上面的值所示,如果沒(méi)有良好的PSRR性能,就算有理想的、沒(méi)有波紋電壓的DC電源,載波信號(hào)導(dǎo)致的輸出干擾相對(duì)于CENELEC要求也已經(jīng)非常大了。幸運(yùn)的是,HCPL-8100/0810的典型PSRR約為72dB,因此輸出上出現(xiàn)的實(shí)際干擾僅約為-17.5 dBμVrms,或0.38μVpp。
---在使用以132kHz頻率開關(guān),且全負(fù)荷輸出波紋是50mVpp的開關(guān)電源為HCPL-8100/0810提供直流供電時(shí),132kHz時(shí)的干擾將是12.9dBμVrms,或發(fā)送時(shí)的12.6μVpp。接收機(jī)上相應(yīng)的干擾將略低,約為10μVpp。這個(gè)值盡管很小,但其已足夠高,可以影響接收機(jī)的靈敏度。因此,如果使用開關(guān)電源,那么使用的開關(guān)頻率要比載頻高得多,這一點(diǎn)非常重要。
---通過(guò)正確設(shè)計(jì)開關(guān)電源及選擇輸出器件,可以進(jìn)一步降低電源波動(dòng)噪聲。最大的改善來(lái)自使用具有超低ESR的電解電容器。另一個(gè)問(wèn)題是Vcc模擬電源上出現(xiàn)的噪聲可能也會(huì)耦合回到收發(fā)機(jī)設(shè)備上。為避免這種情況,應(yīng)在電源和收發(fā)機(jī)的Vcc之間使用良好的鉭電容器,把噪聲并聯(lián)到Gnd針腳上。
---浪涌和突發(fā)保護(hù)
---由于HCPL-8100/0810的電力線通信應(yīng)用同時(shí)涵蓋室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境,因此必須使用相關(guān)的一系列CENELEC抗干擾能力指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試,模擬環(huán)境條件。必須進(jìn)行EN61000系列抗干擾能力測(cè)試中規(guī)定的測(cè)試,以檢驗(yàn)是否符合規(guī)范/標(biāo)準(zhǔn)。推薦的耦合電路結(jié)構(gòu)在高壓測(cè)試中是一個(gè)弱項(xiàng)。實(shí)際上,低插入損耗的有效耦合網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果,是從交流市電到HCPL-8100/0810的線路驅(qū)動(dòng)器電路上提供了一條低阻抗通路,因此在高壓瞬變時(shí)可能會(huì)損壞設(shè)備。基于這一原因,建議從市電到線路驅(qū)動(dòng)器增加保護(hù)設(shè)備,如MOV(金屬氧化物變阻器)和TVS(瞬變電壓抑制器),如圖11所示。
---RV1上額定值為275VAC的MOV、D1和D2上額定值為5V的雙向TVS及軌到軌保護(hù)二極管提供了浪涌和突發(fā)保護(hù)。另外還需要使用軌到軌保護(hù)二極管,如D3、D4、D5和D6,因?yàn)樵诓钅＠擞亢凸材＠擞繝顟B(tài)下TVS的最大鉗位電壓仍高于為集成電路提供的Vcc電壓。應(yīng)根據(jù)MOV的等級(jí)選擇熔絲的額定電流。對(duì)電力線應(yīng)用,根據(jù)EN50065-4-2要求,應(yīng)能夠耐受4kV/6kV的瞬變/浪涌電壓。與浪涌和突發(fā)保護(hù)有關(guān)的其他考慮因素取決于多種情況,如耦合接口、電路板布局和使用的元器件特點(diǎn)。
共模噪聲抑制
---為實(shí)現(xiàn)良好的接收機(jī)性能,其靈敏度應(yīng)盡可能高,靈敏度電壓電平應(yīng)盡可能低,以便可以擴(kuò)展整體接收機(jī)范圍/距離。重負(fù)荷電力線條件下的載波信號(hào)將經(jīng)歷高衰減,高達(dá)100dB甚至更高。在這些條件下,來(lái)自共模噪聲的干擾會(huì)變得非常明顯。如果沒(méi)有正確的共模噪聲抑制技術(shù),則不能改善接收機(jī)靈敏度。如圖9所示,通過(guò)使用差模接收機(jī)配置所作的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)如果TVS D1和D2的中心分接頭沒(méi)有接地,那么對(duì)信號(hào)變壓器中20Vpp的共模噪聲源,接收機(jī)的共模噪聲輸出可能會(huì)高達(dá)115mVrms。一旦TVS D1和D2的中心分接頭接地,整體共模噪聲輸出會(huì)下降約28dB,達(dá)到16mVrms。
---如果信號(hào)變壓器提供中心分接頭,可以進(jìn)一步抑制共模噪聲。在信號(hào)變壓器的中心分接頭接地時(shí),可以把整體共模噪聲輸出再降低30dB。這樣通過(guò)把TVS D1和D2及信號(hào)變壓器接地,整體共模噪聲抑制可以高達(dá)58dB。圖12說(shuō)明了適合共模噪聲抑制的最終接收機(jī)配置。
