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電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述

發(fā)布時間:2020-10-07 來源:羅嘉林,龐家華 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(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(jìn)行調(diào)理后,加載到電力線上進(jìn)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(jìn)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(xì)的FSK原理介紹及SunSpec通信參數(shù)規(guī)定請看TIDA-060001。
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述
圖1.  PLC系統(tǒng)框圖
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述
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(jìn)行調(diào)理,從而保證信號能準(zhǔn)確、有效、可靠地在電力線上進(jìn)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(biāo)示了PLC的Tx模塊,藍(lán)圈標(biāo)示了PLC的Rx模塊,另外,紫圈標(biāo)示了其他輔助功能模塊,內(nèi)部資源豐富。
 
Tx模塊負(fù)責(zé)對發(fā)送路徑信號進(jìn)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(jìn)一步將信號放大后輸出,驅(qū)動負(fù)載。
 
Rx模塊負(fù)責(zé)對接收路徑信號進(jìn)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(jìn)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(dá)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(xì)介紹請參考AFE031數(shù)據(jù)手冊。
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述
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(hù)電路,下面將分別對這幾個部分的外圍電路設(shè)計要點進(jìn)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。
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述
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(yù)留一定裕量,應(yīng)設(shè)置fHP應(yīng)小于fm,CIN的計算公式為:
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述   (1)
 
而RSET串接于PA_ISET引腳,RSET與限流值ILIM的關(guān)系式為:
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述   (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:
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述   (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(fù)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(dāng)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):
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述   (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。
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述
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:
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述   (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(dǎo)致驅(qū)動負(fù)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(rèn)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:
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述   (9)
 
至于變壓器T的匝數(shù)比取值,可以根據(jù)負(fù)載獲得PA最大輸出功率的需求進(jìn)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(fù)載為Rload,變比可參考下式:
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述   (10)
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述
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(jìn)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(dá)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(jìn)行隔離耦合,可參考圖8所示的EVM板Boost-AFE031框圖。
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述
圖7.  低壓直流耦合電路
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述
圖8.  通用直流耦合電路
 
(4)保護(hù)電路
 
下面以直流應(yīng)用的保護(hù)電路為例進(jìn)行說明。直流應(yīng)用的保護(hù)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(hù)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(dǎo)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。
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述
圖9.  保護(hù)電路
 
四. 測試結(jié)果及總結(jié)
 
基于AFE031構(gòu)建SunSpec PLC系統(tǒng)進(jìn)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(hù)電路即可完成系統(tǒng)構(gòu)建。
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述
圖10.  傳輸波形實驗結(jié)果
 
電力線通信模擬前端AFE031的應(yīng)用及設(shè)計概述
圖11.  (a) fm載波頻譜,(b)fs載波頻譜
 
 
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