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MAX44211 – 適用于窄帶電力線通信的線驅(qū)動器

作者: 時間:2017-03-10 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  引言

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201703/345092.htm

  目前,電力線通信技術(shù)是一種半雙工通信方式,通過配電系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。有兩種類型的通信:窄帶PLC和寬帶PLC。窄帶PLC的數(shù)據(jù)率大約為100kbps,工作頻率范圍為10 kHz至500 kHz;寬帶PLC的數(shù)據(jù)率高于100Mbps,通信系統(tǒng)工作在2至100MHz頻率范圍。

  通過已有電力設(shè)施傳輸數(shù)據(jù)最早用于電力線上的電話通信系統(tǒng),后來在50年前被用于遠(yuǎn)程繼電器控制和公共照明?,F(xiàn)在,電力線上實現(xiàn)了雙向通信,被用于家庭遠(yuǎn)程訪問/控制、工業(yè)遠(yuǎn)程訪問/控制,甚至能源領(lǐng)域的分布式發(fā)電系統(tǒng)。所有這一切都可通過被稱為智能電網(wǎng)的公共平臺實現(xiàn)。

  每個家庭中帶有獨(dú)特通信設(shè)備的電表能夠每月為供電方提供信息,無需對每個街道的每個家庭進(jìn)行人工抄表。供電方以及消費(fèi)者都擁有關(guān)于一個小城鎮(zhèn)中一天里每個時段的供電和需量統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這就能夠提供非常重要的信息,便于高效利用電能,降低碳排放。這就通過可再生能源進(jìn)行發(fā)電,并在配電系統(tǒng)中對其進(jìn)行管理來釋放更多潛在的能源。

  圖1 使用MAX44211線驅(qū)動器與交流電力線連接的Zeno調(diào)制解調(diào)器

  英文解釋:

  communication modem 通信調(diào)制解調(diào)器

  PROTECTION 保護(hù)

  Line driver 線驅(qū)動器

  ISOLATOR/COUPLER 隔離器/耦合器

  AC MAINS 交流電源

  1 MAX44211線驅(qū)動器

  圖1為使用MAX44211線驅(qū)動器與交流電力線連接的Zeno調(diào)制解調(diào)器,該調(diào)制解調(diào)器兼容G3-PLC和Prim標(biāo)準(zhǔn)。

  盡管交流電力線的線阻一般額定值為50Ω,但實際情況往往并非如此。由于電力線上每個用戶的需量不均衡,導(dǎo)致線阻發(fā)生變化。阻抗的動態(tài)變化是負(fù)載或負(fù)載變化引起的,其中的主要因素是電機(jī),而幾乎所有家用設(shè)備(洗衣機(jī)、冰箱、吸塵器)中都有電機(jī)。工業(yè)環(huán)境下也是如此,并且電機(jī)更多。這些電機(jī)不同于家用電器中的電機(jī),而是功率高出10倍到100倍。電機(jī)在工作時傾向于向電網(wǎng)中倒灌EMI。功率開關(guān)/開關(guān)設(shè)備(例如逆變器或筆記本電腦充電器)也將噪聲倒灌到電網(wǎng),盡管其影響比前者小得多。為緩解這種影響,通常在電源輸入端口安裝一個大電容(1μF至100μF)。該電容在50Hz時對交流電源形成大約3kW阻抗,但100 kHz或500 kHz時,阻抗分別約為1.6W和0.3W。在較高頻率時,包含電纜電阻在內(nèi),交流電源的阻抗為大約2W。

  對于G3-PLC規(guī)范,發(fā)送到電網(wǎng)的最大可能帶內(nèi)信號功率約為126dBuV,更別提要求發(fā)送此類信號的調(diào)制解調(diào)器能夠向交流電力線的此種動態(tài)阻抗驅(qū)動信號。

  對于正弦波,126dBuV大約為2Vrms。通常情況下,驅(qū)動10至15W負(fù)載就要求調(diào)制解調(diào)器輸出必須擁有相對較高的功率驅(qū)動。失真特性必須在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的帶外指標(biāo)之內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放不能滿足這一要求,這正是MAX44211的作用。

  MAX44211是一款低失真線驅(qū)動器,具有如下特性:

  1)提供在負(fù)載變化條件下驅(qū)動交流電源所需的高輸出功率;

  2)可用于支持全球所有標(biāo)準(zhǔn),例如CENELEC、ARIB、FCC;

  3)提供1.5A較高最大輸出電流,峰-峰輸出差分電壓擺幅高達(dá)36V;

  4)具有高級診斷功能,可監(jiān)測溫度和輸出過流。

  2 特性和保護(hù)

  MAX44211具有可變增益,提供四個不同的增益值。分別利用G0、G1輸入選擇增益。G0、G1輸入通常由PLC調(diào)制解調(diào)器的GPIO端口控制,可在器件工作時實時更改增益,確保輸出到電力線的功率符合要求。

  可在調(diào)制解調(diào)器處于發(fā)送模式時使能輸出,而在不使用時將其禁止。接收模式下,這些輸出必須為高阻態(tài),由此隔離發(fā)送通路,從而避免EMI和損壞。發(fā)送時,MAX44211的輸出阻抗為毫歐數(shù)量級,禁止時高于35kΩ。

  根據(jù)負(fù)載的功率需量以及負(fù)載變化的不同,設(shè)計者可計算出線驅(qū)動器的最大峰值電流需量。該值可用于設(shè)置限流值,使用相應(yīng)的RSET值限制輸出電流。MAX44211輸出的最大峰值電流決定線驅(qū)動器的功耗,也為我們提供負(fù)載環(huán)境的指示。例如,假設(shè)信號為125dBuV,負(fù)載為50Ω。

  125dBuv = 10^(125/20))/1000000 = 1.778Vrms,負(fù)載為50Ω時,電流為355mA (rms)

  根據(jù)信號類型的不同,rms有效值與峰值之比可能不同(正弦波p-p = 2rt2 Irms) ( OFDM信號p-p = 6.6 x Irms)。同一125dBuV信號驅(qū)動至2Ω負(fù)載時,輸出電流需量將為 0.889 A(1.778V/ 2 = 0.889 A)。因此,峰-峰電流高于MAX44211的最大輸出電流2A。限流值由RSET決定,將輸出箝位到限流值,確保器件不會被熱擊穿損壞。這種情況下,輸出將失真。

  3 STATUS 0/1輸出

  在應(yīng)用中,STATUS輸出通常連接到調(diào)制解調(diào)器的GPIO引腳。這些輸出為調(diào)制器提供關(guān)于電力線負(fù)載及工作溫度的關(guān)鍵信息,調(diào)制解調(diào)器可據(jù)此制定決策。

  發(fā)生限流時,STATU-0輸出變?yōu)榈碗娖剑蛘{(diào)制解調(diào)器表示重載條件。調(diào)制解調(diào)器可停止發(fā)送并等待幾分鐘,然后再次發(fā)送。

  高溫報警表示內(nèi)部結(jié)溫已經(jīng)達(dá)到150°C,并在結(jié)溫達(dá)到160°C時執(zhí)行熱關(guān)斷。

  如果在重載條件下繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù),將會發(fā)生限流(STAT-0為低電平)。由于長時間高電流需量以及封裝和電路板的功耗特性,內(nèi)部結(jié)溫會達(dá)到150°C;如果繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù),最終將使器件進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)。

  在較高環(huán)境溫度下發(fā)送數(shù)據(jù)。PLC調(diào)制解調(diào)器往往采用標(biāo)準(zhǔn)IP-67封裝。這種封裝具有一定的防潮、防水能力,只需極少,甚至沒有散熱口。這些封裝安裝在附近變電站的數(shù)據(jù)集中器中,或者安裝在家庭的墻壁插座。內(nèi)部溫度很容易飆升到75°C。

  4 外部保護(hù)

  圖2 MAX44211輸出與交流電源之間的隔離

  隔離:MAX44211輸出與交流電源之間具備正確的隔離。有兩種隔離方式:

  1)耦合器/變壓器隔離;

  2)無變壓器隔離,使用容性隔離,LC電路用作對交流電源的耦合電路。

  4.1 D1/ D2/ D3/ D4:肖特基二極管

  MAX44211輸出要求有箝位二極管,防止變壓器或LC耦合網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載變化/開關(guān)引起的反電動勢造成電壓尖峰損害器件。肖特基二極管具有快速開關(guān)和較高電流密度,是此類應(yīng)用中發(fā)生故障條件時將輸出箝位到AVDD的最大電壓以及將瞬態(tài)電流旁路的電源的理想選擇。

  4.2 D5:TVS二極管

  連接到交流電源時,推薦使用雙向TVS二極管進(jìn)行保護(hù)。這些二極管具有浪涌保護(hù)功能,從而提供對電力線中EMI的抗擾性。浪涌事件期間,TVS二極管將傳導(dǎo)-VBREAKDOWN至+VBREAKDOWN范圍的信號,通過箝位到±VCLAMP來保護(hù)電路。

  4.3 功耗(管芯和封裝)和熱設(shè)計

  MAX44211采用4mmx4mm TQFN封裝,帶有裸焊盤及無鉛封裝,改善向電路板的導(dǎo)熱。重載情況下發(fā)送PLC信號時,線驅(qū)動器的功耗可高達(dá)4W,這將升高器件的內(nèi)部結(jié)溫。溫度保護(hù)電路監(jiān)測內(nèi)部溫度,并在必要時發(fā)出報警或關(guān)斷。

  圖3 EP和接地層之間布置多個過孔

  建議在EP和接地層之間布置多個過孔,如圖3所示。多個過孔可降低從封裝表面到PCB的熱阻。另外也建議在PCB設(shè)計中采用兩個或多個接地層,層厚為2oz。

  5線性度數(shù)據(jù):

  圖4數(shù)據(jù)為50Ω負(fù)載時的線性度/失真信息,AVDD和旁路電容。

  圖4 數(shù)據(jù)為50Ω負(fù)載時的線性度/失真信息

  英文解釋:

  Two tone linearity test 雙音線性度測試

  MAGNITUDE 音量

  Frequency 頻率



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