---安捷倫HCPL-8100/0810是一種高電流線路驅(qū)動器,適用于在低壓(120/240VAC)和中壓(2kV)接入市電上實現(xiàn)電力線通信,其主要功能是為電力線收發(fā)機提供足夠的驅(qū)動能力。除線路驅(qū)動器功能外,HCPL-8100/0810具有許多內(nèi)置功能,如電壓不足檢測、負荷檢測、溫度過高檢測和狀態(tài)輸出。圖2是HCPL-8100/0810簡化的方框圖。---HCPL-8100/0810可以用來把發(fā)送的信號從電力線調(diào)制解調(diào)器(PLM)收發(fā)機直接耦合到電力線中,而不需通過信號變壓器或光學隔離器,圖3說明了怎樣實現(xiàn)非隔離信號耦合。
---HCPL-8100/0810可以在3.5Vpp時為9～450kHz的信號頻率提供高達1App的電流。耦合使用簡單的LC網(wǎng)絡(luò)完成,LC網(wǎng)絡(luò)濾掉市電頻率(50Hz和諧波),為來自收發(fā)機的載波信號提供調(diào)諧的傳輸頻帶。
---通過采用發(fā)送濾波器獲得正弦曲線載波輸入,設(shè)備的線路驅(qū)動輸出可以實現(xiàn)EN50065國際規(guī)范/標準要求的非常低的諧波失真(對第二個諧波及更高的諧波,應好于-60dBμVRMS)電力線信號。
---HCPL-8100/0810還可以與隔離信號耦合接口一起使用。盡管HCPL-8100/0810線路驅(qū)動器在全負荷時3.5Vpp的線路驅(qū)動器輸出電壓對大多數(shù)電力線通信已經(jīng)足夠了,但某些應用如自動抄表(AMR)要求更高的載波信號電壓。EN50065-1規(guī)范的Class-122允許對95～148.5kHz之間的載頻,在電力線市電上實現(xiàn)高達7Vpp的信號電壓。
---圖4所示的耦合接口把電力線收發(fā)機的差分輸出通過雙HCPL-8100/0810線路驅(qū)動器和信號變壓器連接到交流市電上,帶有通過信號變壓器的單端輸出,為發(fā)送的信號提供高效的7Vpp驅(qū)動電路,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)送信號的偶次諧波,推薦使用這種差分解決方案。
---對只提供單端發(fā)射機輸出的收發(fā)機,建議采用圖5中的電路。該電路提供了一種簡單的方法,可以使驅(qū)動電壓翻一番(提高6dB),而不會通過串聯(lián)兩個線路驅(qū)動器而損害電流驅(qū)動能力。對低于70kHz的載頻,CENELEC規(guī)范中允許超過7Vpp的電力線信號電壓。通過提高信號變壓器T1的線圈比率,可以實現(xiàn)這種信號電平。
---假設(shè)最大輸入信號是1.75Vpp,第一個線路驅(qū)動器(U1)的增益設(shè)為3。Vout1將是3.5Vpp,由于HCPL-8100/0810的反轉(zhuǎn)效應,U2的Vout2輸出也是3.5Vpp,但相位與Vout1相差180°。這導致7Vpp信號經(jīng)過T1的主線圈。對Vin上不同的輸入信號電平,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之間實現(xiàn)180°差分,U2的增益(R4/R3)應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)(如短路或過流)可通過STATUS引腳為微控制器提供,這個引腳作為接地警報系統(tǒng)使用,防止U1和U2發(fā)生災難性故障。如果通過U2的相位延遲很大,那么圖5中所示的配置將不能正常運行。測試發(fā)現(xiàn),在400kHz載頻時的相位延遲僅約為30ns,對大多數(shù)應用而言可以忽略不計。
---圖6是圖5中電路的響應。粗線(Acl)表示閉環(huán)電壓增益,細線(Aol)則表示開環(huán)電壓增益的頻響。閉環(huán)響應在9～450kHz的載頻范圍是平坦的,符合CENELEC EN50065要求和FCC Part 15要求。---對于100kHz載頻,在使用50Ω CISPR 16負荷及7Vpp信號和5V電源測試時,諧波均為-62dBc。電路使用1:1線圈比率信號變壓器和X2級安全電容器。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)動器、變壓器和電容器)上進行CENELEC規(guī)范/標準中列明的一系列4kV或6kV級,采取一致性測試。
發(fā)送部分
---對Class 116應用,推薦的電路使用3:1線圈比率信號變壓器。信號耦合電路的功能是允許從線路驅(qū)動器(兩個HCPL-8100/0810的輸出)把發(fā)送信號以最大效率注入到交流市電中,同時抑制市電網(wǎng)絡(luò)上較高的諧波發(fā)出的噪聲和雜散信號。傳感干擾的臨界頻率是載波信號的第二個諧波和第三個諧波(對132.5kHz載頻來說分別是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)射機電路使用的配置是二階帶通濾波器,兩個電極的位置采用發(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中簡化的等效電路。在實際設(shè)計中,必須考慮交流市電網(wǎng)絡(luò)預計的阻抗,其通常是一個電感負荷。如果沒有提供等效市電網(wǎng)絡(luò),可以使用參考負荷,如CISPR16-1中提供的仿真網(wǎng)絡(luò)(50Ω與5Ω及50μH并聯(lián))。最簡單的電路是CISPR 16仿真網(wǎng)絡(luò)的電抗部件,為兩個50μH電感器。
---兩個電極的公式是：
---fp1=fp2=1/[2·π·√(L·C)]=132.5kHz
---其中L=101μH, C=C10。在這個頻率上,500nF/N2的影響可以忽略不計。
---在重負荷條件下,HCPL-8100/0810信號電流的峰值可能會達到0.5App以上的值,而沒有明顯失真。這意味著與信號串聯(lián)的所有耦合電路器件(包括信號變壓器)都必須能夠承載這一電流,而不會飽和或過熱。電感單元的最大電流與各個電感成比例,但隨著電感提高,其ESR也會提高。這些電感單元的ESR必須盡可能低,以實現(xiàn)良好的耦合效率。事實上,即使在串聯(lián)電阻只有1Ω時,發(fā)送信號在重負荷條件下的耦合損耗仍可能會過高。因此,需要使用大型線軸磁芯電感器,保證每個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)濟性,降低飽和效應,本設(shè)計的選擇值是220nF,并應該采用X2級安全電容器。
---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信號變壓器線圈的電流。
---I=240Vrms·2π·50Hz·C10=16.6mArms
---從上面的計算可以看出,16.6mArms的50Hz電流流經(jīng)線圈的交流市電一側(cè)。信號變壓器應設(shè)計以防止這一低頻電流造成飽和。信號變壓器是這一應用中最關(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,應使用泄漏電感小于1μH的信號變壓器。歐洲CENELEC標準規(guī)定了電力線通信應用的絕緣電阻和介電強度。EN50065-4-2中提到兩種介電強度等級,即4kV和6kV,這也會影響信號變壓器設(shè)計。
---為防止在負荷過高時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提供的信號電流降低到1/3,惟一的問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優(yōu)勢是采用對稱結(jié)構(gòu),通過降低均勻諧波的電平,來補償器件的非線性度。
接收機部分
---在接收機部分增加了電阻器R12,以保證接收模式下的輸出阻抗符合CENELEC規(guī)范/標準(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)備應使輸出并聯(lián)到地,可以通過利用Tx-en針腳支持設(shè)備來實現(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。如果沒有它們及軌到軌保護二極管D3、D4、D5和D6,超過11V的瞬變電壓會損壞HCPL-8100/0810設(shè)備。這一配置適用于最簡單的單端接收機,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。圖9是132.5kHz信號使用的相應差分接收網(wǎng)絡(luò)。
電源考慮因素
---電路板設(shè)計的一個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公用接地平面及HCPL-8100/0810芯片的接地針腳上,在132.5kHz的信號傳輸過程中,電源和接地平面上將出現(xiàn)高電流(典型值高達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,那么載頻信號可能會產(chǎn)生第二次諧波波紋,并可能會通過信號變壓器耦合到市電上。假設(shè)單位(或0dB)電源抑制比(PSRR),可以通過下述公式計算諧波電平。
---0.75App·2mΩ=1.5mVpp= 54.5dBμVrms
---如上面的值所示,如果沒有良好的PSRR性能,就算有理想的、沒有波紋電壓的DC電源,載波信號導致的輸出干擾相對于CENELEC要求也已經(jīng)非常大了。幸運的是,HCPL-8100/0810的典型PSRR約為72dB,因此輸出上出現(xiàn)的實際干擾僅約為-17.5 dBμVrms,或0.38μVpp。
---在使用以132kHz頻率開關(guān),且全負荷輸出波紋是50mVpp的開關(guān)電源為HCPL-8100/0810提供直流供電時,132kHz時的干擾將是12.9dBμVrms,或發(fā)送時的12.6μVpp。接收機上相應的干擾將略低,約為10μVpp。這個值盡管很小,但其已足夠高,可以影響接收機的靈敏度。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,這一點非常重要。
---通過正確設(shè)計開關(guān)電源及選擇輸出器件,可以進一步降低電源波動噪聲。最大的改善來自使用具有超低ESR的電解電容器。另一個問題是Vcc模擬電源上出現(xiàn)的噪聲可能也會耦合回到收發(fā)機設(shè)備上。為避免這種情況,應在電源和收發(fā)機的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
---由于HCPL-8100/0810的電力線通信應用同時涵蓋室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境,因此必須使用相關(guān)的一系列CENELEC抗干擾能力指標標準和測試,模擬環(huán)境條件。必須進行EN61000系列抗干擾能力測試中規(guī)定的測試,以檢驗是否符合規(guī)范/標準。推薦的耦合電路結(jié)構(gòu)在高壓測試中是一個弱項。實際上,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)動器電路上提供了一條低阻抗通路,因此在高壓瞬變時可能會損壞設(shè)備�；谶@一原因,建議從市電到線路驅(qū)動器增加保護設(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及軌到軌保護二極管提供了浪涌和突發(fā)保護。另外還需要使用軌到軌保護二極管,如D3、D4、D5和D6,因為在差模浪涌和共模浪涌狀態(tài)下TVS的最大鉗位電壓仍高于為集成電路提供的Vcc電壓。應根據(jù)MOV的等級選擇熔絲的額定電流。對電力線應用,根據(jù)EN50065-4-2要求,應能夠耐受4kV/6kV的瞬變/浪涌電壓。與浪涌和突發(fā)保護有關(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。
共模噪聲抑制
---為實現(xiàn)良好的接收機性能,其靈敏度應盡可能高,靈敏度電壓電平應盡可能低,以便可以擴展整體接收機范圍/距離。重負荷電力線條件下的載波信號將經(jīng)歷高衰減,高達100dB甚至更高。在這些條件下,來自共模噪聲的干擾會變得非常明顯。如果沒有正確的共模噪聲抑制技術(shù),則不能改善接收機靈敏度。如圖9所示,通過使用差模接收機配置所作的實驗,發(fā)現(xiàn)如果TVS D1和D2的中心分接頭沒有接地,那么對信號變壓器中20Vpp的共模噪聲源,接收機的共模噪聲輸出可能會高達115mVrms。一旦TVS D1和D2的中心分接頭接地,整體共模噪聲輸出會下降約28dB,達到16mVrms。
---如果信號變壓器提供中心分接頭,可以進一步抑制共模噪聲。在信號變壓器的中心分接頭接地時,可以把整體共模噪聲輸出再降低30dB。這樣通過把TVS D1和D2及信號變壓器接地,整體共模噪聲抑制可以高達58dB。圖12說明了適合共模噪聲抑制的最終接收機配置。
