摘 要：電力線通信是一個正在發(fā)展的嶄新學(xué)科，但由于電力線傳輸?shù)臒o屏蔽性，給電力線通信帶來嚴(yán)重的電磁干擾與電磁兼容問題。在深入分析了電力線通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的主要原因的基礎(chǔ)上，對EMI濾波電路進(jìn)行了設(shè)計研究，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該濾波網(wǎng)絡(luò)對于抑制電力線載波通信EMI的可行性。

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關(guān)鍵詞：電力線載波通信;電磁兼容;共模干擾;EMI濾波

中圖分類號：TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)11-170-02

Research on EMI Filter Circuit of Power Line Carrier Communication

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ZHAO Zhipeng，LUO Yinghong

(School of Electronic and Information Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，730070，China)

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Abstract：Power Line Communication(PLC) is a brand-new subject，which develops rapidly in rescent years.However，as the power line transmission without shielding，There are serious EMI and EMC problems.Based on the in-depth analysis of the main reason that the PLC system produces electromagnetic interference，this paper researches the design of the EMI filter circuit，and through experiments show that the filter circuit for inhibiting PLC EMI feasibility.

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Keywords：power line carrier communication;electromagnetic compatibility;common-mode interference;EMI filter

基金項目:甘肅省自然科學(xué)基金資助項目(3zs062-b25-013)

電力線通信技術(shù)目前發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入初步應(yīng)用階段。PLC系統(tǒng)充分利用電力系統(tǒng)的廣泛線路資源，通過OFDM等技術(shù)可以在同一電力線不同帶寬的信道上傳輸數(shù)據(jù)。 但是由于電力線傳輸?shù)臒o屏蔽性，電網(wǎng)的穩(wěn)定性比傳統(tǒng)的通信網(wǎng)差得多，使得電力線通信線路的電磁環(huán)境極為復(fù)雜，這就給電力線通信系統(tǒng)提出了更高的電磁兼容要求，電磁兼容技術(shù)也成了實(shí)現(xiàn)電力線通信所需的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文在深入分析了電力線通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的主要原因的基礎(chǔ)上，對EMI濾波電路進(jìn)行了設(shè)計研究，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該濾波網(wǎng)絡(luò)對于抑制電力線載波通信EMI的可行性。 

1 電力線載波通信電磁兼容問題分析

1.1 電磁兼容分析模型

一個電子系統(tǒng)如果能與其他電子系統(tǒng)相兼容的工作，也就是不產(chǎn)生干擾又能忍受外界的干擾則稱為該電子系統(tǒng)與區(qū)環(huán)境電磁兼容。對于一般的電磁兼容問題的基本分析模型如圖1 所示。

對于PLC系統(tǒng)來說，干擾源要整體考慮。不僅包括PLC設(shè)備，而且要考慮當(dāng)信號加到電力線上時，由于電力線是一種非屏蔽的線路，有可能作為發(fā)射天線對無線通信和廣播產(chǎn)生不利影響。此外還要考慮多種PLC 設(shè)備間的相互影響。PLC的耦合途徑是非常復(fù)雜的，是不同的途徑相互作用的結(jié)果?？傮w上分為兩種，一種是空間的輻射，對應(yīng)的被干擾設(shè)備是無線通信和廣播信號；另一種是沿電力線的傳導(dǎo)騷擾，主要造成對電能質(zhì)量的影響。因此PLC 系統(tǒng)的電磁兼容問題涉及多個PLC 系統(tǒng)的共存，以及與無線網(wǎng)絡(luò)的共存等。

圖1 電磁兼容基本分析模型

1.2 PLC系統(tǒng)電磁干擾產(chǎn)生機(jī)理

由于電力線的特性和結(jié)構(gòu)是按照輸送電能的損失最小并保證安全可靠地傳輸?shù)皖l(50 Hz)電流來設(shè)計的，不具備電信網(wǎng)的對稱性、均勻性，因而基本上不具備通信網(wǎng)所必須具備的通信線路電氣特性。而PLC系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁干擾問題正是由于電力線的這種對地不對稱性產(chǎn)生的^[1]。

電力線產(chǎn)生干擾的機(jī)理有兩種(如圖2)，一種是電力線中的信號電流Id(差模電流)回路產(chǎn)生的差模干擾，另一種是電力線上的共模電流Ic產(chǎn)生的共模干擾。差模電流大小相等方向相反，因此一般近似認(rèn)為由其產(chǎn)生的電磁場相互抵消。而共模電流的方向是一致的，其產(chǎn)生的電磁場相互疊加^[2]，所以電力線的干擾主要來自共模干擾。

1.3 改善PLC系統(tǒng)電磁兼容性的主要措施

(1) 充分利用或改善PLC系統(tǒng)電力線的對稱性

PLC系統(tǒng)的輻射強(qiáng)度取決于PLC網(wǎng)絡(luò)或其電纜的對稱性。高度對稱線路的特征是異模電流與共模電流的比值很大，故輻射非常小。可以選擇對稱性好的導(dǎo)線，例如4芯電纜，但此法不適用于室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，而且成本較高。

(2) 減小PLC系統(tǒng)中高頻信號的功率譜密度

減小PLC信號的功率譜密度(PSD)能降低輻射電平，但不影響總的發(fā)送功率。因此，PLC系統(tǒng)適宜采用寬帶調(diào)制技術(shù)，但其擴(kuò)頻效率受電力線低通特性的限制。

(3) 合理選擇調(diào)制技術(shù)

OFDM是一種高效的調(diào)制技術(shù)，其基本原理是將發(fā)送的數(shù)據(jù)流分散到許多個子載波上，使各子載波的信號速率大為降低，從而提高抗多徑和抗衰落能力^[3]。

(4) 合理設(shè)計EMI濾波網(wǎng)絡(luò)

將濾波器安裝在緊鄰變壓器和緊鄰家庭用戶的連接點(diǎn)上，或者直接在電力線調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部引入濾波器^[4]。這樣既可以保持PLC信號的異模傳播，又可以阻止PLC信號進(jìn)入輻射效率高的導(dǎo)線或其他附接設(shè)備。本文將主要對EMI濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究設(shè)計。

圖2 電力線EMI模型

2 濾波電路設(shè)計

基于以上對于電力線通信電磁兼容性的分析，可以在電力線通信系統(tǒng)的收端接一個EMI濾波器，用以抑制系統(tǒng)所產(chǎn)生的共模干擾。由于兩根電力線不可能完全重合，也就是說差模電流所產(chǎn)生的電磁場不能完全抵消，所以在設(shè)計濾波電路時，也應(yīng)考慮到差模干擾的抑制。

EMI濾波電路基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 EMI濾波電路基本結(jié)構(gòu)

圖3中，差模抑制電容為C1和C2，共模抑制電容為C3和C4，共模電感為L，并將共模電感纏繞在鐵氧體磁芯圓環(huán)上，構(gòu)成共模扼流圈。共模扼流圈對于共模信號呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用，而對于差模信號呈現(xiàn)出很小的漏電感幾乎不起作用^[5]。由于干擾信號有差模和共模兩種，因此濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用。其基本原理為:

(1) 利用電容通高頻隔低頻的特性，將電源正極，電源負(fù)極高頻干擾電流導(dǎo)入地線(共模)，或?qū)㈦娫凑龢O高頻干擾電流導(dǎo)入電源負(fù)極(差模)。

(2) 利用電感線圈的阻抗特性，將高頻干擾電流反射回干擾源。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在圖3濾波電路中取差模電容C1，C2為7 000 pF，共模電容C3，C4為0.015 μF，共模扼流圈磁芯采用錳-鋅鐵氧體，每路繞30匝，電感量為3.7 mH。

3.1 EMI濾波網(wǎng)絡(luò)濾波性能仿真

圖4為干擾噪聲隨頻率關(guān)系的模擬仿真，由此可見干擾信號的頻率越高，則干擾信號通過該濾波網(wǎng)絡(luò)后衰減越大。共模干擾的頻率一般在2MHz以上，所以說該濾波電路能對共模干擾起到良好的抑制作用。

圖4 干擾噪聲隨頻率關(guān)系

3.2 EMI濾波網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果分析

當(dāng)采用輸入為24 V，輸出為12 V，功率為25 W的開關(guān)電源模擬輸入信號時，用帶寬為20 MHz的示波器測得濾波前后信號紋波分別為50 mV和5 mV。由此可見該濾波網(wǎng)絡(luò)對干擾信號衰減了20 dB，良好地抑制了電路中所產(chǎn)生的干擾噪聲。

4 結(jié) 語

電力線通信技術(shù)作為一種強(qiáng)有力的手段，有著雄厚的發(fā)展基礎(chǔ)和廣闊的市場，應(yīng)有其使用和生存的發(fā)展環(huán)境和空間。但是，低壓電力線并不是專門用來傳輸通信數(shù)據(jù)的，它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和物理特性都與傳統(tǒng)的通信傳輸介質(zhì)(如雙絞線、同軸電纜、光纖等) 不同。它在傳輸通信信號時信道特性相當(dāng)復(fù)雜，負(fù)載多、噪聲干擾強(qiáng)、信道衰減大，通信環(huán)境相當(dāng)惡劣。目前還有很多亟待解決的問題，例如PLC的電磁輻射問題，調(diào)制技術(shù)和編碼技術(shù)的改進(jìn)，通信信號衰減的抑制等。本文研究的EMI濾波電路旨在抑制接收端由于共模電流和差模電流產(chǎn)生的共模和差模干擾，今后還有待于結(jié)合電磁原理，在PLC設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的電路及電磁輻射特性等方面做深入研究。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］張力波，柴守亮.寬帶電力線通信對無線通信的影響及其頻帶的管理［J］.中國無線電，2006:12-15.

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［2］Clayton R Paul.Introduction to Electromagnetic Compatibi-lity［M].John WileySons，Inc.1992.

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［3］張淑娥，孔英會，高強(qiáng).電力系統(tǒng)通信技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2005.

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［4］丁道齊.要正視和研究電力線通信技術(shù)發(fā)展中的關(guān)鍵問題［J］.電力系統(tǒng)通信，2003，24（4）:1-12.

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［5］呂仁清，蔣全興.電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.南京:東南大學(xué)出版社，1990.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。