榮國(guó)成，王昊，沙莎

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春電子科技學(xué)院 電子工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130114）

電力線通信（Power Line Communication）技術(shù)簡(jiǎn)稱PLC技術(shù)，是利用交流電線傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的一種通信方式［1］。通常用于家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸，其特點(diǎn)是充分利用室內(nèi)隨處可見(jiàn)的電源插座，免除部署五類線的煩惱，在傳輸性能、穿墻能力、覆蓋范圍等方面優(yōu)于WiFi，已經(jīng)和五類線、WiFi等局域網(wǎng)技術(shù)并列成為家庭網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)，已在歐美日等國(guó)得到廣泛應(yīng)用［2］。

電力線載波通信技術(shù)的智能家庭終端設(shè)備的典型應(yīng)用如圖1所示，通過(guò)FTTH家庭組網(wǎng)模式，采用GPON光纖接入方式，使用PLC終端設(shè)備可以將同一個(gè)電表下的任一電源插座轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)端口。利用現(xiàn)有的電力線即可完成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，無(wú)需重新鋪設(shè)網(wǎng)線，真正實(shí)現(xiàn)即插即用，顯著節(jié)約網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和加快網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度。另外，集成了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能的PLC終端設(shè)備還解決了目前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)在室內(nèi)傳輸?shù)拇透采w問(wèn)題，方便用戶在室內(nèi)不受位置限制地使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求的持續(xù)增長(zhǎng)以及PLC技術(shù)的不斷完善，PLC終端設(shè)備的應(yīng)用前景十分廣闊［3］。

圖1 電力線通信典型室內(nèi)組網(wǎng)形式

由于受雷擊或電力負(fù)載的影響，電力線上會(huì)產(chǎn)生危害設(shè)備安全的浪涌干擾［4-6］。為了保護(hù)設(shè)備不因浪涌干擾而損壞，設(shè)備交流電源輸入端口必須具有符合要求的浪涌防護(hù)能力（包括共模防護(hù)和差模防護(hù)）［7-8］。對(duì)于PLC終端而言，交流電源輸入端口也兼作通信端口使用：工作頻率為50～60 Hz的交流電通過(guò)該端口輸入至PLC終端，而工作頻率為2～200 MHz的PLC高速信號(hào)也通過(guò)該端口進(jìn)行傳輸。因此要求該端口的浪涌防護(hù)電路不但能夠提供足夠的浪涌防護(hù)能力，而且對(duì)載波在電力線上的高速信號(hào)的衰減可以忽略不計(jì)，從而保證PLC終端設(shè)備的通信能力。另外，作為一款室內(nèi)用戶終端，浪涌防護(hù)電路設(shè)計(jì)應(yīng)服從結(jié)構(gòu)微型化和低成本設(shè)計(jì)的整體要求。

目前，PLC設(shè)備的目標(biāo)市場(chǎng)集中于國(guó)內(nèi)的社會(huì)需求和運(yùn)營(yíng)商需求，因此電源端口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)目標(biāo)以符合中國(guó)電信企標(biāo)Q/CT 2394規(guī)定的要求為準(zhǔn)［9］，即電源端口浪涌防護(hù)電路要求具有±4 kV的差模和共模浪涌防護(hù)能力。

1 基本電路及浪涌干擾影響分析

1.1 PLC設(shè)備電源端口基本電路

采用L、N和PE三根線傳輸信號(hào)的通信方式具有兩個(gè)數(shù)據(jù)通道，能夠提供更高的傳輸速率，因此電力線載波電源端口基本電路采用圖2所示的連接方式。該基本電路從功能上實(shí)現(xiàn)了PLC信號(hào)與交流電的分離與合流，這也使得電力線載波電源端口成為一個(gè)多功能端口：既是交流電源輸入端口，又是通信端口。

圖2 PLC設(shè)備電源端口基本電路

電力線載波可通過(guò)PLUG獲取220 V交流電以及傳輸 PLC信號(hào)［10］。電感 L1和 L2對(duì)低頻的220 V交流電呈現(xiàn)低阻抗，對(duì)高頻的PLC信號(hào)呈現(xiàn)高阻抗，目的將220 V交流電傳輸至AC/DC電源轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)PLC信號(hào)與電源轉(zhuǎn)換電路的隔離。電容C1和C2對(duì)高頻的PLC信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗，對(duì)低頻的220 V交流電呈現(xiàn)高阻抗，目的將PLC信號(hào)耦合至PLC電路，阻止220 V高壓進(jìn)入PLC電路。

1.2 浪涌電路影響

通過(guò)對(duì)元器件參數(shù)的設(shè)置以及電路的分析，分別模擬差模浪涌干擾電路以及共模浪涌干擾電路如圖3和圖4所示。

圖4 共模浪涌干擾模擬電路

其中V1代表浪涌干擾電壓，R2為源內(nèi)阻（差模為 2 Ω，共模為 12 Ω），C2為浪涌干擾耦合電容（差模為 18 μF，共模為 9 μF），R3為 PLC 線路阻抗。圖3中，V4為 220 V、50 Hz的交流電，L4和C3組成了CDN網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)隔離交流電和浪涌干擾。

圖3 差模浪涌干擾模擬電路

通過(guò)Pspice仿真模擬觀察電源端口上的浪涌干擾對(duì)后級(jí)電路的影響如圖5與圖6所示。

圖5 差模浪涌干擾仿真

圖6 共模浪涌干擾仿真

圖5中可觀察出差模浪涌干擾發(fā)生在220 V交流電的波峰位置，其中V［n002］表示差模情況下電容C2耦合輸出的浪涌干擾電壓，V［n003］是C4在R1上的電壓曲線，V［n006］表示R3的電壓曲線，V［n001］是交流電源V4輸出的220 V波形曲線?？梢钥闯觯钅＠擞扛蓴_進(jìn)入電力線載波電源端口后，由于PLC信號(hào)耦合電容的高阻抗作用，很大一部分浪涌干擾進(jìn)入了電源通路。電源通路上的干擾電壓峰值只略小于浪涌電壓峰值，并且還出現(xiàn)了疊加在220 V交流電上的LRC振蕩，而進(jìn)入到PLC通路的干擾電壓峰值大約為浪涌電壓峰值的0.1倍左右。

圖6顯示的是共模浪涌干擾的仿真結(jié)果，V［n006］是共模情況線下C2耦合輸出的浪涌干擾電壓曲線，V［n007］是R3上的電壓曲線。由于電力線的PE線僅被PLC通信線路使用，因此共模浪涌干擾理論上僅與PLC線路有關(guān)。同時(shí)仿真結(jié)果顯示，PLC耦合電容對(duì)浪涌干擾具有較大的阻隔作用，進(jìn)入PLC線路的干擾電壓峰值約為浪涌電壓峰值的0.2倍。

以上仿真皆為浪涌電壓峰值設(shè)定為1 kV時(shí)的仿真結(jié)果，當(dāng)浪涌峰值電壓為4 kV時(shí)，浪涌電壓將超過(guò)電力線載波單板上幾乎所有器件的耐壓水平，如果不使用防護(hù)電路必然會(huì)導(dǎo)致器件被擊穿和燒毀。

2 雙級(jí)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

2.1 電力線載波電源端口電路設(shè)計(jì)

綜合考慮差模與共模浪涌干擾，PLC電源端口防護(hù)電路共設(shè)有二級(jí)防護(hù)電路，如圖7所示。

圖7 電力線載波設(shè)備電源端口浪涌防護(hù)電路

浪涌防護(hù)電路在原有的基本電路中引入壓敏電阻（MOV）、雙向順向電壓抑制器（TVS）以及三電極氣體放電管（GDT）等元器件。由MOV1和MOV2以及GDT1組成第一級(jí)防護(hù)，其中MOV1和MOV2用于GDT的熄弧，MOV3和TVS分別為電源線路和PLC線路的第二級(jí)防護(hù)，去耦電感L1、L2和變壓器T1、T2同時(shí)也作為第一級(jí)防護(hù)和第二級(jí)防護(hù)的退耦器件。

GDT的阻抗超過(guò)1 GΩ，遠(yuǎn)大于壓敏電阻阻抗10 MΩ，因此第一級(jí)防護(hù)電路中，初始浪涌電壓幾乎全部施加在GDT1上。當(dāng)浪涌電壓超過(guò)GDT的動(dòng)作電壓后，GDT1導(dǎo)通，接近短路，于是浪涌電壓就全部施加在壓敏電阻上，并且導(dǎo)致壓敏電阻導(dǎo)通。當(dāng)?shù)谝患?jí)防護(hù)電路的殘壓導(dǎo)致第二級(jí)防護(hù)器件動(dòng)作時(shí)，第二級(jí)防護(hù)進(jìn)一步降低向后級(jí)傳輸?shù)倪^(guò)電壓峰值，從而對(duì)后級(jí)電路形成保護(hù)，防止過(guò)電壓損壞設(shè)備。

2.2 器件特性

在滿足通流量要求的前提下，MOV1和MOV2的伏安特性要保證浪涌過(guò)電壓干擾消除后氣體放電管GDT1能夠有效熄弧。當(dāng)流經(jīng)GDT1的電流小于輝弧轉(zhuǎn)換電流（glow to arc transition current）時(shí)，GDT1從弧光放電轉(zhuǎn)換為輝光放電，當(dāng)交流電過(guò)零時(shí)，GDT1兩端電壓為0，實(shí)現(xiàn)有效熄弧。

當(dāng)共模浪涌通過(guò)電壓干擾消除后，線路上僅有220 V交流電。此時(shí)GDT1仍處于弧光放電，GDT1上的電壓為弧光電壓Varc約為10 V，考慮到線路電壓10%的變化，那么壓敏電阻MOV1或者M(jìn)OV2兩端的電壓應(yīng)滿足為：

壓敏電阻MOV3直接跨接在220 V交流線的L和N之間，為兼容以及確保GDT1能夠完成輝弧轉(zhuǎn)換，考慮到線路電壓的10%變化，以及MOV動(dòng)作電壓的10%容差，壓敏電阻的直流動(dòng)作電壓不應(yīng)小于：

壓敏電阻放置于去耦電感后級(jí)，是為了避免跨接在電力線上壓敏電阻較大的寄生電容C對(duì)PLC信號(hào)的衰減，從而影響PLC通信性能。假定壓敏電阻寄生電感L為5nH（包括引線），其寄生電阻忽略不計(jì)，則可通過(guò)式（1）計(jì)算出正常狀態(tài)下壓敏電阻阻抗隨頻率的變化，根據(jù)式（2）可計(jì)算出壓敏電阻對(duì)PLC信號(hào)的衰減大?。俣ㄔ春拓?fù)載阻抗均為75 Ω）。

氣體放電管的寄生電容不大于1.5 pF，因此MOV1、MOV2和GDT1的串聯(lián)電路引入的寄生電容也不會(huì)超過(guò)1.5 pF，考慮寄生電感的影響，對(duì)PLC信號(hào)的衰減不會(huì)超過(guò)3 dB。TVS的寄生電容一般為3～5 pF，最低可為0.5 pF，對(duì)PLC信號(hào)的衰減也不會(huì)超過(guò)4 dB。由于隔離電感的作用，放置于其后的MOV3對(duì)PLC信號(hào)的影響可以忽略不計(jì)。

3 驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果

通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的浪涌信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生4 KV、1.2/50 μs波形的信號(hào)，對(duì)交流電源端口施加正、負(fù)各5次的浪涌脈沖測(cè)試，且每?jī)纱蚊}沖間隔時(shí)間不少于一分鐘。對(duì)電源線和信號(hào)線應(yīng)分別在不同組合的共模和差模狀態(tài)下施加脈沖沖擊，電源端口的電壓波形分別如圖8和圖9所示。

圖8 差模4 kV浪涌試驗(yàn)時(shí)電力線載波電源端口L-N電壓波形

圖9 共模4 kV浪涌試驗(yàn)時(shí)電力線載波電源端口L-PE和N-PE電壓波形

從圖中L-N以及L-PE曲線來(lái)看，浪涌干擾導(dǎo)致了疊加在220 V上振蕩電壓的產(chǎn)生，與圖5、圖6的仿真結(jié)果相對(duì)應(yīng)，表明了仿真技術(shù)在浪涌防護(hù)電路設(shè)計(jì)上的可行性。

分別采用焊接防護(hù)器件PLC設(shè)備和未焊接防護(hù)器件PLC設(shè)備的兩種情況下進(jìn)行組網(wǎng)對(duì)比測(cè)試，采用信噪比和建鏈速度專用監(jiān)控測(cè)試工具對(duì)組網(wǎng)內(nèi)的兩個(gè)PLC設(shè)備進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，兩臺(tái)PLC設(shè)備通過(guò)濾波器和衰減器進(jìn)行互聯(lián)，測(cè)試傳輸信號(hào)的信噪比和建鏈速率。在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下，采用濾波器對(duì)220 V電源和載波信號(hào)進(jìn)行濾波分離，電力線載波信號(hào)通過(guò)同軸線和可調(diào)式衰減器進(jìn)行連接兩個(gè)PLC設(shè)備，模擬真實(shí)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。以下數(shù)據(jù)為可調(diào)衰減器衰減80 dB的情況下的信噪比和建鏈速度對(duì)比，分別如圖10-圖13所示。

圖10 未焊接防護(hù)器件時(shí)傳輸速率

圖11 未焊接防護(hù)器件時(shí)信噪比

圖12 焊接防護(hù)器件后傳輸速率

圖13 焊接防護(hù)器件后信噪比

圖10-圖13分別表示未焊接防護(hù)器件與焊接防護(hù)器件的對(duì)比，在接入防護(hù)器件后建鏈速度和信噪比無(wú)明顯差異，考慮受環(huán)境的影響，防護(hù)器件對(duì)PLC信號(hào)的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

4 結(jié)論

電力線通信設(shè)備的電源端口作為一個(gè)新型的多功能端口，浪涌防護(hù)電路設(shè)計(jì)不但要考慮防護(hù)能力，還要求不能影響設(shè)備的通信能力，同時(shí)還應(yīng)兼顧成本要求。本文通過(guò)Pspice仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行預(yù)仿真，提出符合需求的浪涌防護(hù)電路設(shè)計(jì)方案，通過(guò)實(shí)際測(cè)試完全滿足不引入噪聲且滿足浪涌指標(biāo)的需求。這些方法并不僅僅適用于該設(shè)備，對(duì)其它可靠性設(shè)計(jì)也有一定的借鑒意義。