電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計

Other Parts Discussed in Post： AFE031， TPS43060

作者：羅嘉林 實習工程師， 龐家華 華南區(qū)工程師 email： pangjiahua@ti.com

AFE031是一款應(yīng)用于電力線通信的模擬前端器件，可以作為電力線通信系統(tǒng)的收發(fā)器。本文將從AFE031應(yīng)用背景、基本框架及系統(tǒng)設(shè)計三個方面進行介紹。

一． 應(yīng)用背景

電力線通信（Power Line Communication， PLC）是一種利用電力線進行數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)?a href="http://srfitnesspt.com/soft/data/43-44/" target="_blank">通信技術(shù)，其基本系統(tǒng)框圖如圖1所示。數(shù)字信號經(jīng)調(diào)制后以載波形式發(fā)送，再經(jīng)PLC收發(fā)器進行調(diào)理后，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(guān)斷協(xié)議是專門針對光伏系統(tǒng)快速關(guān)斷功能制定的PLC協(xié)議。SunSpec規(guī)定，調(diào)制方法采用B-FSK（二進制頻移鍵控），B-FSK調(diào)制原理如圖2所示，SunSpec指定的兩種載波頻率分別為fm=131.25kHz，fs=143.75kHz，處于窄帶通信的CENELEC B/C/D頻段中。另外，SunSpec指定發(fā)送的兩類有效指令包括了關(guān)斷指令及正常工作指令，一個指令的完整發(fā)送周期為1070.08ms。詳細的FSK原理介紹及SunSpec通信參數(shù)規(guī)定請看TIDA-060001。

圖1. PLC系統(tǒng)框圖

圖2. FSK調(diào)制原理

PLC的收發(fā)器由模擬前端器件構(gòu)成，該環(huán)節(jié)對MCU發(fā)送的數(shù)字信號或從電力線接收到的載波信號進行調(diào)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(yōu)質(zhì)的PLC模擬前端器件，可用于構(gòu)建支持SunSpec等協(xié)議的PLC系統(tǒng)，其與MCU的接口也如圖1所示。

二． AFE031基本概述

AFE031內(nèi)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(nèi)部資源豐富。

Tx模塊負責對發(fā)送路徑信號進行處理，其包含數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC、增益可調(diào)放大器Tx_PGA、帶寬可調(diào)低通濾波器Tx_Filter以及功率放大器PA。在Tx模塊內(nèi)，待發(fā)送信號被放大和濾波后送入功率放大器PA，PA以6.5V/V的固定增益進一步將信號放大后輸出，驅(qū)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(huán)節(jié)依次是增益可調(diào)放大器Rx_PGA1、帶寬可調(diào)低通濾波器Rx_Filter 、可調(diào)增益放大器Rx_PGA2。接收信號經(jīng)過放大、濾波處理后送入MCU的ADC以還原數(shù)字信號。

MCU經(jīng)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(shù)，針對SunSpec應(yīng)用，Tx和Rx的濾波器可設(shè)置為CENELEC B/C/D檔，對應(yīng)截止頻率為145kHz。更多MCU與AFE031接口方式及調(diào)參方法請瀏覽SBOA130A及TIDA-060001。

AFE031的優(yōu)勢可以總結(jié)如下：支持包括SunSpec在內(nèi)的多種協(xié)議；供電PA_Vs范圍大，為7-24V；輸出電流可達1.5A；接收靈敏性好，可檢測到低至20 μVRMS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(yōu)勢做了一個基本的介紹，關(guān)于各模塊參數(shù)值、工作原理、寄存器配置的詳細介紹請參考AFE031數(shù)據(jù)手冊。

圖3. AFE031功能框圖

三． 基于AFE031的SunSpec PLC系統(tǒng)設(shè)計要點

構(gòu)建基于AFE031的SunSpec PLC系統(tǒng)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，下面將分別對這幾個部分的外圍電路設(shè)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(shè)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(shè)置PA輸入端交流耦合電容CIN以及PA限流值設(shè)置電阻RSET。而CIN作為高通濾波器，其取值決定于用戶需要的截止頻率fHP。SunSpec的較低頻率fm=131.25kHz，為預留一定裕量，應(yīng)設(shè)置fHP應(yīng)小于fm，CIN的計算公式為：

（1）

而RSET串接于PA_ISET引腳，RSET與限流值ILIM的關(guān)系式為：

（2）

兩種模式的區(qū)別在于，DAC模式下，MCU會通過快速中斷給AFE031發(fā)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(jīng)DAC轉(zhuǎn)換后，諧波含量很小，無需設(shè)置太多外圍濾波器；而PWM模式下，MCU直接通過外設(shè)ePWM給AFE031發(fā)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(shè)置外圍濾波器，如圖4（b）所示的RC低通濾波器Fd1和Fd2，可加強濾除PWM波的高次諧波。RC低通濾波器推薦使用電阻Rd為510Ω，截止頻率為fL，fL應(yīng)大于待傳送信號頻率。而SunSpec協(xié)議的最大載波頻率為fs=143.75kHz，所以fL應(yīng)大于fs，對應(yīng)的Cd1和Cd2的設(shè)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，接收信號先后經(jīng)過外圍帶通濾波器F1及AFE031內(nèi)部Rx模塊。

由于電力線工作環(huán)境復雜， AFE031接收到的信號可能含有各種干擾，因此，有必要為Rx路徑設(shè)置一個外圍的帶通濾波器F1，F(xiàn)1是四階帶通濾波器，其設(shè)計可遵循以下原則：首先選定濾波器特征阻抗Zc，該值與傳輸線阻抗匹配，對于PLC應(yīng)用，可設(shè)定為1kΩ；然后確定電阻大小，兩電阻R1、R2起到分壓作用，當選擇R1=R2=Zc，信號有-6dB的衰減，若選擇R1=Zc，R2=10Zc，則信號有接近0dB的增益；最后可按照以下公式確定剩下的LC參數(shù)：

（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(yīng)用，f1應(yīng)小于fm，f2應(yīng)大于fs。比如可選擇C1=1.7nF，C2=1nF，L1=1.2mH，L2=1.5mH。

此外應(yīng)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，對于SunSpec所處的CENELEC B/C/D頻段，兩電容設(shè)置分別是CR1=270pF，CR2=560pF。

圖5. Rx路徑

（3）電力線耦合電路

電力線耦合電路用于連接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(qū)別，需分別介紹。

a. 交流應(yīng)用

對于交流應(yīng)用，電力線耦合電路如圖6所示，包含低壓側(cè)電容CLV、變壓器T、高壓側(cè)電容CHV，以及高壓側(cè)電感LHV。其中CLV的作用主要是隔絕低壓側(cè)偏置直流電壓，該電容應(yīng)對高頻信號呈現(xiàn)低阻抗，常用10μF電容，其耐壓值應(yīng)大于稍后介紹的TVS鉗位電壓值。而CHV與變壓器T繞組電感構(gòu)成分壓器，CHV承受低頻交流大電壓VAC，而高頻信號經(jīng)變壓器耦合到低壓側(cè)。CHV的大小要根據(jù)無功功率限值VAlimit來設(shè)定：

（8）

其中fP為工頻，CHV的耐壓值應(yīng)高于電力線電壓。但根據(jù)VAlimit設(shè)置的CHV可能帶來較大的阻抗，從而導致驅(qū)動負載的能力不足，所以需要輔以LHV維持電力線路低阻抗，對于SunSpec，可以認為兩載波頻率fm和fs的中心頻率為fb=137.5kHz，從而可以確定LHV的取值：

（9）

至于變壓器T的匝數(shù)比取值，可以根據(jù)負載獲得PA最大輸出功率的需求進行匹配。假設(shè)VPA_out_peak和IPA_out_peak分別是PA輸出最大電壓和電流，高壓側(cè)等效負載為Rload，變比可參考下式：

（10）

圖6. 交流耦合電路

b. 直流應(yīng)用

在低壓直流應(yīng)用中，可以不需要變壓器，僅以電容CDC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CDC常取為10uF，其額定電壓需大于直流母線電壓。另外，由于直流線路為低阻抗線路，且TPS43060輸出端對于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后被拉低，從而極大影響PA輸出擺幅，因此需要在電源側(cè)串聯(lián)電感LDC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，基于電容耦合，電力線側(cè)的地可與AFE031的地相接。

若應(yīng)用于高壓直流場合，應(yīng)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

下面以直流應(yīng)用的保護電路為例進行說明。直流應(yīng)用的保護電路如圖9所示。其中TVS管是瞬態(tài)二極管，防止瞬間大電壓損壞AFE031，TVS的鉗位電壓應(yīng)稍大于PA_Vs/2，要在確保不誤觸發(fā)的前提下提高保護的可靠性。肖特基二極管D1-D2的作用是抑制持續(xù)過電壓對AFE01的影響。而由于D1-D2具有結(jié)電容，結(jié)電容的不平衡將導致直流偏壓不能維持在PA_Vs/2，分壓器Rb1-Rb2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(wěn)壓管Z的作用是穩(wěn)定AFE031的PA供電電壓PA_Vs。Lo-Co-Ro組合作為一個額外的噪聲或振鈴吸收器，選取的經(jīng)驗值為Ro=4.7Ω，Co=1nF，Lo=1mH。

圖9. 保護電路

四． 測試結(jié)果及總結(jié)

基于AFE031構(gòu)建SunSpec PLC系統(tǒng)進行測試驗證，圖10和圖11分別是指令傳輸波形以及發(fā)送不同載波時對應(yīng)的波形頻譜。可見該系統(tǒng)能順利執(zhí)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(nèi)的多種PLC協(xié)議，能方便地實現(xiàn)可靠的PLC通信功能。其優(yōu)勢還在于有較大的供電電壓范圍、較大輸出電流、可檢測低至20μVrms信號的接收靈敏性。在系統(tǒng)設(shè)計時，可根據(jù)選定的通信方式，通過SPI接口配置AFE031寄存器，并相應(yīng)地取定外圍濾波器參數(shù)，最后加上電力線耦合電路以及必要的保護電路即可完成系統(tǒng)構(gòu)建。

審核編輯：金巧