消費總線電力線接口電路的設計

從P300輸出的信號幅度小、驅動能力弱而且還有高次諧波，因此必須經過濾波和放大，然后才能通過耦合電路將信號調制到電力線上。耦合電路將高壓和低壓隔離開，防止高壓擊穿通訊電路。另一方面，從電力線來的載波信號又要由P300接收，而電力線上的干擾很大也很不確定，所以需要一個帶通濾波器，通過100kHz～400kHz之間的信號，再送到P300的接收端。電路的方框圖如圖3所示。

其中左邊的3根線來自P300，TS是數(shù)字信號，控制收發(fā)轉換。實際上P300的收發(fā)類似半雙工方式，因為當它在“發(fā)送”劣態(tài)的時候，實際上并沒有輸出信號。因此，這個時候它可以處于接收狀態(tài)，如果接收到了優(yōu)態(tài)，就表示發(fā)生了競爭。

3.1 濾波電路

輸入濾波器電路如圖4所示。

這個濾波器有6階，對高頻干擾有很好的抑制，圖5是它的頻率響應曲線。在高頻段400kHz處衰減為3dB。高于400kHz的平均衰減為3dB，高于400kHz的平均衰減為128dB/dec，可以有效地過濾干擾信號。

P300輸出的信號包含豐富的高次諧波，為了減小對電網的干擾，先經過帶通濾波器再進行放大。濾波器也采用無源電路，原理與上面類似，這里不再多述。

3.2 放大電路

P300的輸出信號經過濾波之后，其內阻很大，沒有驅動能力，而且電壓幅度不符合消費總線的要求，必須放大后才能夠驅動電力線。放大電路不僅要有強有力的輸出能力，還需有禁止輸出功能，這樣才能使P300接收其它節(jié)點發(fā)出信號。

電網的性能不確定，有時是容性負載，有時是感性負載。這樣就給末級電路采用反饋帶來很大困難。因為當負載的阻抗特性變化時，輸出的信號相位會發(fā)生變化，最終有可能是負反饋變成了正反饋，從而引起振蕩。

圖6 電力載波放大電路

設計的電力載波放大電路如圖6所示，虛線的左邊的原理圖，右邊是實現(xiàn)電路圖。可以看出，這個電路有兩個輸入，一個輸出。輸入信號來自P300的電力載波，輸出使能控制放大器運行。圖6的左半部分，T1和T2接成互補式OTL輸出，它們的偏置電壓來自電阻R1、R2的分壓。來自P300的信號經過運放U1放大達到期望的幅度，然后通過電容耦合到T1和T2的基極。如果開關S1和S2合上，則T1和T2正常輸出電信，P300可以發(fā)送數(shù)據(jù)；如果S1和S2都斷開，那么T1和T2的基極都處于懸空狀態(tài)，輸出端也成為懸浮狀態(tài)，從而不會吸收由電力線傳來的信號，P300可以接收信號。

在圖6的右邊，開關S1和S2也被T7和T8取代,T1和T2被復合管取代，其中的電阻R11用來消除三極管漏電電流的影響。采用復合管是為提高放大倍數(shù)，這樣可以盡量減小級間耦合，即使輸出信號發(fā)生了畸變，也不會影響到前級而發(fā)生振蕩。實際證明這種做法是很可行的。其對容性負載、感性負載以及純電阻的負載都有較穩(wěn)定的輸出，輸出阻抗小于2Ω。

圖7 P300與電力線的耦合電路

3.3 耦合電路及保護措施

圖7中J1接到電力線，R1是壓敏電阻，它可以使尖峰脈沖短路，變壓器T1實現(xiàn)了高壓與低壓的隔離。因為載波的頻率比較高（100kHz～400kHz），遠遠大小電網的頻率，這樣就使載波信號暢通無阻，而能夠隔斷高壓。電容C1阻斷低頻高壓，阻止變壓器飽和；電阻R2取值比較大，作用是在離線時使電容放電，防止在設備插頭的兩端出現(xiàn)高壓。Z1是瞬變抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，或稱TVS），它可以有效地避免后而電路被高壓擊穿。L1、D1、D2也是為防止高壓擊穿放大電路而設計的。電力線上的設備接入或者是斷開，都有可能引起尖峰脈沖，并導致收發(fā)電路的永久損壞。所以高壓保護措施是至關重要的。

除了電力線上會產生高壓脈沖破壞器件以外，當設備剛剛接上電源時（參看圖7），如果電力線剛好處于電壓的最大值，而此時電容上的電壓為0，會有300V（220V有效值，最大值311V）的高壓直接加在變壓器兩端，引起很大的電流，從而在次級產生尖峰脈沖。這個脈沖的電流相當大，可達幾十安培到上百安培，采用一般的穩(wěn)壓管根本沒有辦法消除這個脈沖。筆者曾經嘗試過采用壓敏電阻吸收這個脈沖，但壓敏電阻的響應比較緩慢，在出現(xiàn)脈沖的一微秒之內仍然有幾十伏的電源，足以燒壞放大電路。實踐表明，這種剛剛接入電路時的瞬態(tài)脈沖所產生的破壞力相當大。幸運的是，它的電流雖然很大，但是能量卻不是那么大。筆者采用的瞬變抑制二極管1.5KE6.8CA響應時間是5ns，能夠吸收200A電流，瞬態(tài)功率可達1500W?？梢院唵蔚匕阉醋魇且粋€具有強大吸收電流能力的穩(wěn)壓二極管，但它的動態(tài)電阻比較大，所以還需要D1和D2這兩個肖特基二極管進一步把電阻鉗位在電源電壓左右，電感L1的作用是阻斷特別窄的高壓脈沖。經過這些保護措施，后面電路沒有出現(xiàn)過任何故障。

在設計電路板時，應該充分考慮到電路板敷銅皮的阻抗影響，例如在圖8的電路板布局中，Z1是瞬變抑制器件，元件的引線和銅皮都會引入電感，從而消弱吸收效果。