消費(fèi)總線(xiàn)電力線(xiàn)接口電路的設(shè)計(jì)

從P300輸出的信號(hào)幅度小、驅(qū)動(dòng)能力弱而且還有高次諧波，因此必須經(jīng)過(guò)濾波和放大，然后才能通過(guò)耦合電路將信號(hào)調(diào)制到電力線(xiàn)上。耦合電路將高壓和低壓隔離開(kāi)，防止高壓擊穿通訊電路。另一方面，從電力線(xiàn)來(lái)的載波信號(hào)又要由P300接收，而電力線(xiàn)上的干擾很大也很不確定，所以需要一個(gè)帶通濾波器，通過(guò)100kHz～400kHz之間的信號(hào)，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(xiàn)來(lái)自P300，TS是數(shù)字信號(hào)，控制收發(fā)轉(zhuǎn)換。實(shí)際上P300的收發(fā)類(lèi)似半雙工方式，因?yàn)楫?dāng)它在“發(fā)送”劣態(tài)的時(shí)候，實(shí)際上并沒(méi)有輸出信號(hào)。因此，這個(gè)時(shí)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(jìng)爭(zhēng)。

3.1 濾波電路

輸入濾波器電路如圖4所示。

這個(gè)濾波器有6階，對(duì)高頻干擾有很好的抑制，圖5是它的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)。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(guò)濾干擾信號(hào)。

P300輸出的信號(hào)包含豐富的高次諧波，為了減小對(duì)電網(wǎng)的干擾，先經(jīng)過(guò)帶通濾波器再進(jìn)行放大。濾波器也采用無(wú)源電路，原理與上面類(lèi)似，這里不再多述。

3.2 放大電路

P300的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波之后，其內(nèi)阻很大，沒(méi)有驅(qū)動(dòng)能力，而且電壓幅度不符合消費(fèi)總線(xiàn)的要求，必須放大后才能夠驅(qū)動(dòng)電力線(xiàn)。放大電路不僅要有強(qiáng)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(diǎn)發(fā)出信號(hào)。

電網(wǎng)的性能不確定，有時(shí)是容性負(fù)載，有時(shí)是感性負(fù)載。這樣就給末級(jí)電路采用反饋帶來(lái)很大困難。因?yàn)楫?dāng)負(fù)載的阻抗特性變化時(shí)，輸出的信號(hào)相位會(huì)發(fā)生變化，最終有可能是負(fù)反饋?zhàn)兂闪苏答仯瑥亩鹫袷帯?BR>
圖6 電力載波放大電路

設(shè)計(jì)的電力載波放大電路如圖6所示，虛線(xiàn)的左邊的原理圖，右邊是實(shí)現(xiàn)電路圖。可以看出，這個(gè)電路有兩個(gè)輸入，一個(gè)輸出。輸入信號(hào)來(lái)自P300的電力載波，輸出使能控制放大器運(yùn)行。圖6的左半部分，T1和T2接成互補(bǔ)式OTL輸出，它們的偏置電壓來(lái)自電阻R1、R2的分壓。來(lái)自P300的信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放U1放大達(dá)到期望的幅度，然后通過(guò)電容耦合到T1和T2的基極。如果開(kāi)關(guān)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(kāi)，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(huì)吸收由電力線(xiàn)傳來(lái)的信號(hào)，P300可以接收信號(hào)。

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

圖7 P300與電力線(xiàn)的耦合電路

3.3 耦合電路及保護(hù)措施

圖7中J1接到電力線(xiàn)，R1是壓敏電阻，它可以使尖峰脈沖短路，變壓器T1實(shí)現(xiàn)了高壓與低壓的隔離。因?yàn)檩d波的頻率比較高（100kHz～400kHz），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大小電網(wǎng)的頻率，這樣就使載波信號(hào)暢通無(wú)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(xiàn)時(shí)使電容放電，防止在設(shè)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(chēng)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(shè)計(jì)的。電力線(xiàn)上的設(shè)備接入或者是斷開(kāi)，都有可能引起尖峰脈沖，并導(dǎo)致收發(fā)電路的永久損壞。所以高壓保護(hù)措施是至關(guān)重要的。

除了電力線(xiàn)上會(huì)產(chǎn)生高壓脈沖破壞器件以外，當(dāng)設(shè)備剛剛接上電源時(shí)（參看圖7），如果電力線(xiàn)剛好處于電壓的最大值，而此時(shí)電容上的電壓為0，會(huì)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(jí)產(chǎn)生尖峰脈沖。這個(gè)脈沖的電流相當(dāng)大，可達(dá)幾十安培到上百安培，采用一般的穩(wěn)壓管根本沒(méi)有辦法消除這個(gè)脈沖。筆者曾經(jīng)嘗試過(guò)采用壓敏電阻吸收這個(gè)脈沖，但壓敏電阻的響應(yīng)比較緩慢，在出現(xiàn)脈沖的一微秒之內(nèi)仍然有幾十伏的電源，足以燒壞放大電路。實(shí)踐表明，這種剛剛接入電路時(shí)的瞬態(tài)脈沖所產(chǎn)生的破壞力相當(dāng)大。幸運(yùn)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(yīng)時(shí)間是5ns，能夠吸收200A電流，瞬態(tài)功率可達(dá)1500W?？梢院?jiǎn)單地把它看作是一個(gè)具有強(qiáng)大吸收電流能力的穩(wěn)壓二極管，但它的動(dòng)態(tài)電阻比較大，所以還需要D1和D2這兩個(gè)肖特基二極管進(jìn)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(jīng)過(guò)這些保護(hù)措施，后面電路沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)任何故障。

在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，應(yīng)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(xiàn)和銅皮都會(huì)引入電感，從而消弱吸收效果。