一． 應用背景

 

電力線通信（Power Line Communication, PLC）是一種利用電力線進行數據信息傳輸的通信技術
，其基本係統框圖如圖1所示。數字信號經調製後以載波形式發送，再經PLC收發器進行調理後，加載到電力線上進行傳輸
，而接收則是一個反向過程。SunSpec快速關斷協議是專門針對光伏係統快速關斷功能製定的PLC協議。SunSpec規定，調製方法采用B-FSK（二進製頻移鍵控），B-FSK調製原理如圖2所示，SunSpec指定的兩種載波頻率分別為f_m=131.25kHz
，f_s=143.75kHz
，處於窄帶通信的CENELEC B/C/D頻段中。另外，SunSpec指定發送的兩類有效指令包括了關斷指令及正常工作指令
，一個指令的完整發送周期為1070.08ms。詳細的FSK原理介紹及SunSpec通信參數規定請看TIDA-060001。

 

圖1.  PLC係統框圖

 

圖2.  FSK調製原理

 

PLC的收發器由模擬前端器件構成，該環節對MCU發送的數字信號或從電力線接收到的載波信號進行調理，從而保證信號能準確、有效、可靠地在電力線上進行傳輸。而AFE031正是一款優質的PLC模擬前端器件，可用於構建支持SunSpec等協議的PLC係統，其與MCU的接口也如圖1所示。

 

二． AFE031基本概述

 

AFE031內部高度集成，圖3是AFE031的功能框圖，其中
，紅圈標示了PLC的Tx模塊
，藍圈標示了PLC的Rx模塊，另外
，紫圈標示了其他輔助功能模塊

，內部資源豐富。

 

Tx模塊負責對發送路徑信號進行處理，其包含數模轉換器DAC
、增益可調放大器Tx_PGA、帶寬可調低通濾波器Tx_Filter以及功率放大器PA。在Tx模塊內
，待發送信號被放大和濾波後送入功率放大器PA
，PA以6.5V/V的固定增益進一步將信號放大後輸出，驅動負載。

 

Rx模塊負責對接收路徑信號進行處理
，接收路徑上的環節依次是增益可調放大器Rx_PGA₁、帶寬可調低通濾波器Rx_Filter 、可調增益放大器Rx_PGA₂。接收信號經過放大、濾波處理後送入MCU的ADC以還原數字信號。

 

MCU經SPI接口可對AFE031寄存器進行配置從而改變Tx模塊及Rx模塊的放大器及濾波器參數
，針對SunSpec應用，Tx和Rx的濾波器可設置為CENELEC B/C/D檔
，對應截止頻率為145kHz。更多MCU與AFE031接口方式及調參方法請瀏覽SBOA130A及TIDA-060001。

 

AFE031的優勢可以總結如下：支持包括SunSpec在內的多種協議；供電PA_V_s範圍大，為7-24V；輸出電流可達1.5A；接收靈敏性好，可檢測到低至20 μV_RMS信號；高度集成

，資源豐富
；配置靈活。

 

以上對AFE031基本框架、主要模塊功能作用以及優勢做了一個基本的介紹
，關於各模塊參數值、工作原理、寄存器配置的詳細介紹請參考AFE031數據手冊。

 

圖3.  AFE031功能框圖

 

三． 基於AFE031的SunSpec PLC係統設計要點

 

構建基於AFE031的SunSpec PLC係統有幾個部分要重點考慮： Tx路徑
、Rx路徑、電力線耦合電路、保護電路，下麵將分別對這幾個部分的外圍電路設計要點進行介紹。

 

（1）Tx路徑

 

AFE031支持兩種Tx模式，分別是DAC模式和PWM模式

，兩者的連接方式及外圍電路設計都有所差異，如圖4(a)和圖4(b)所示。

 

圖4.  Tx路徑. (a) DAC 模式，(b)PWM模式

 

兩種模式都需設置PA輸入端交流耦合電容C_IN以及PA限流值設置電阻R_SET。而C_IN作為高通濾波器，其取值決定於用戶需要的截止頻率f_HP。SunSpec的較低頻率f_m=131.25kHz，為預留一定裕量，應設置f_HP應小於f_m
，C_IN的計算公式為：

 

   (1)

 

而R_SET串接於PA_ISET引腳，R_SET與限流值I_LIM的關係式為：

 

   (2)

 

兩種模式的區別在於，DAC模式下，MCU會通過快速中斷給AFE031發送正弦波離散值，雖然該過程會占用較多CPU資源
，但傳送信號經DAC轉換後
，諧波含量很小，無需設置太多外圍濾波器；而PWM模式下
，MCU直接通過外設ePWM給AFE031發送PWM波，這種模式下

，MCU的配置很簡單，但信號的諧波含量較大，需要設置外圍濾波器

，如圖4(b)所示的RC低通濾波器F_d1和F_d2，可加強濾除PWM波的高次諧波。RC低通濾波器推薦使用電阻R_d為510Ω，截止頻率為f_L，f_L應大於待傳送信號頻率。而SunSpec協議的最大載波頻率為f_s=143.75kHz，所以f_L應大於f_s，對應的C_d1和C_d2的設置可參考以下公式：

 

   (3)

 

（2）Rx路徑

 

Rx路徑如圖5所示
，Rx路徑上，接收信號先後經過外圍帶通濾波器F1及AFE031內部Rx模塊。

 

由於電力線工作環境複雜， AFE031接收到的信號可能含有各種幹擾，因此
，有必要為Rx路徑設置一個外圍的帶通濾波器F1，F1是四階帶通濾波器
，其設計可遵循以下原則：首先選定濾波器特征阻抗Z_c
，該值與傳輸線阻抗匹配，對於PLC應用，可設定為1kΩ；然後確定電阻大小，兩電阻R₁、R₂起到分壓作用，當選擇R₁=R₂=Z_c，信號有-6dB的衰減，若選擇R₁=Z_c，R₂=10Z_c，則信號有接近0dB的增益
；最後可按照以下公式確定剩下的LC參數：

 

   (4)

 

其中f₁是帶通濾波器的低頻截止頻率，f₂是帶通濾波器的高頻截止頻率，針對SunSpec的應用，f₁應小於f_m

，f₂應大於f_s。比如可選擇C₁=1.7nF，C₂=1nF，L₁=1.2mH，L₂=1.5mH。

 

此外應注意的是，Rx_Filter是一個單位增益四階低通濾波器
，需要依靠兩個外部輔助電容來正確配置濾波器，對於SunSpec所處的CENELEC B/C/D頻段，兩電容設置分別是C_R1=270pF，C_R2=560pF。

 

圖5.  Rx路徑

 

（3）電力線耦合電路

 

電力線耦合電路用於連接AFE031與電力線，使得信號能在兩者之間交互。交流電力線與直流電力線的耦合電路會有所區別，需分別介紹。

 

a. 交流應用

 

對於交流應用，電力線耦合電路如圖6所示
，包含低壓側電容C_LV、變壓器T
、高壓側電容C_HV，以及高壓側電感L_HV。其中C_LV的作用主要是隔絕低壓側偏置直流電壓
，該電容應對高頻信號呈現低阻抗
，常用10μF電容，其耐壓值應大於稍後介紹的TVS鉗位電壓值。而C_HV與變壓器T繞組電感構成分壓器，C_HV承受低頻交流大電壓V_AC
，而高頻信號經變壓器耦合到低壓側。C_HV的大小要根據無功功率限值VA_limit來設定：

 

   (8)

 

其中f_P為工頻，C_HV的耐壓值應高於電力線電壓。但根據VA_limit設置的C_HV可能帶來較大的阻抗，從而導致驅動負載的能力不足，所以需要輔以L_HV維持電力線路低阻抗，對於SunSpec，可以認為兩載波頻率f_m和f_s的中心頻率為f_b=137.5kHz，從而可以確定L_HV的取值：

 

   (9)

 

至於變壓器T的匝數比取值，可以根據負載獲得PA最大輸出功率的需求進行匹配。假設V_{PA_out_peak}和I_{PA_out_peak}分別是PA輸出最大電壓和電流，高壓側等效負載為R_load
，變比可參考下式：

 

   (10)

 

圖6.  交流耦合電路

 

b. 直流應用

 

在低壓直流應用中，可以不需要變壓器

，僅以電容C_DC耦合電力線與模擬前端電路
，如圖7所示，直流母線電壓為TPS43060生成的24V，而耦合電容C_DC常取為10uF，其額定電壓需大於直流母線電壓。另外，由於直流線路為低阻抗線路
，且TPS43060輸出端對於高頻信號也呈低阻抗，PA輸出信號可能會從直流線路進入直流電源然後被拉低，從而極大影響PA輸出擺幅
，因此需要在電源側串聯電感L_DC以提高電源輸出阻抗
，如圖中的680uH
，對SunSpec中心頻率的阻抗達到587Ω。需注意的是
，此處為低壓直流場合
，基於電容耦合，電力線側的地可與AFE031的地相接。

 

若應用於高壓直流場合，應避免兩地直接相連
，須重新采用變壓器進行隔離耦合，可參考圖8所示的EVM板Boost-AFE031框圖。

 

圖7.  低壓直流耦合電路

 

圖8.  通用直流耦合電路

 

（4）保護電路

 

下麵以直流應用的保護電路為例進行說明。直流應用的保護電路如圖9所示。其中TVS管是瞬態二極管，防止瞬間大電壓損壞AFE031，TVS的鉗位電壓應稍大於PA_V_s/2，要在確保不誤觸發的前提下提高保護的可靠性。肖特基二極管D₁-D₂的作用是抑製持續過電壓對AFE01的影響。而由於D₁-D₂具有結電容，結電容的不平衡將導致直流偏壓不能維持在PA_V_s/2
，分壓器R_b1-R_b2的作用正是要改善這種情況
，使PA輸出有正確的直流偏置。穩壓管Z的作用是穩定AFE031的PA供電電壓PA_V_s。L_o-C_o-R_o組合作為一個額外的噪聲或振鈴吸收器，選取的經驗值為R_o=4.7Ω，C_o=1nF，L_o=1mH。

 

圖9.  保護電路

 

四． 測試結果及總結

 

基於AFE031構建SunSpec PLC係統進行測試驗證，圖10和圖11分別是指令傳輸波形以及發送不同載波時對應的波形頻譜。可見該係統能順利執行SunSpec PLC通信功能，而且諧波含量少，確保了PLC通信的可靠性。

 

AFE031作為一款PLC模擬前端器件，支持包括SunSpec在內的多種PLC協議
，能方便地實現可靠的PLC通信功能。其優勢還在於有較大的供電電壓範圍、較大輸出電流
、可檢測低至20μVrms信號的接收靈敏性。在係統設計時，可根據選定的通信方式，通過SPI接口配置AFE031寄存器，並相應地取定外圍濾波器參數，最後加上電力線耦合電路以及必要的保護電路即可完成係統構建。

 

圖10.  傳輸波形實驗結果

 

圖11.  (a) f_m載波頻譜
，(b)f_s載波頻譜

 

 

推薦閱讀：