基于直流電源的電力線(xiàn)載波通信耦合電路設(shè)計(jì)

劉恒光，姜秀杰，熊蔚明，安軍社

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心 北京　100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京　100049）

基于直流電源的電力線(xiàn)載波通信耦合電路設(shè)計(jì)

劉恒光1，2，姜秀杰1，熊蔚明1，安軍社1

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心 北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京100049）

試圖通過(guò)電力線(xiàn)載波通信（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）技術(shù)在直流電源線(xiàn)上傳遞控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)減少信號(hào)線(xiàn)，簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的目的。目前較為成熟的PLC技術(shù)，主要應(yīng)用在交流環(huán)境下，在直流環(huán)境下應(yīng)用并未出現(xiàn)，這就導(dǎo)致耦合電路成為本課題研究的關(guān)鍵技術(shù)。本文研究了直流電源的信道特性、提出了相應(yīng)的頻帶需求，分析了DC/DC電源變換器和耦合電路的結(jié)構(gòu)，成功設(shè)計(jì)出了耦合電路，并對(duì)其傳輸特性進(jìn)行了測(cè)試分析。

電力線(xiàn)載波通信；耦合；直流電源；電源變換器

PLC的應(yīng)用和發(fā)展已有幾十年的歷史，其中低壓配電網(wǎng)中使用的載波頻率高達(dá)40 MHz，數(shù)據(jù)速率已到200 Mbps，主要用于互聯(lián)網(wǎng)最后一公里的介入、數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)等［1］。目前國(guó)內(nèi)發(fā)展較為成熟的智能抄表技術(shù)、電力負(fù)荷監(jiān)控、智能家居等都是在交流網(wǎng)絡(luò)中。而我們要研究的是直流網(wǎng)絡(luò)，且其中的DC/DC電源變換器包含有EMI濾波器，DC/DC模塊等，對(duì)傳輸信號(hào)的頻帶選擇起重要影響。此外，就通信距離而言，地面上配電線(xiàn)路的長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)十千米［5］，但直流電源與負(fù)載間的連線(xiàn)較短，長(zhǎng)度一般在數(shù)十米。這些均呈現(xiàn)出與交流網(wǎng)絡(luò)不同的信道特性，是我們?cè)谠O(shè)計(jì)耦合電路時(shí)必須考慮的因素。

1　直流電源信道特性

線(xiàn)路的通道特性直接影響到信號(hào)的傳輸質(zhì)量，例如，阻抗特性影響設(shè)備電平的匹配，噪聲的頻率特性影響通信頻率的選擇，衰減特性決定功放的功率等。所以，無(wú)論以何種方式進(jìn)行通信，必須了解線(xiàn)路的通道特性。

1.1噪聲

低壓電力線(xiàn)上的信號(hào)衰減特性和干擾性非常復(fù)雜，而且隨機(jī)性、時(shí)變性大，難以找到一個(gè)較為準(zhǔn)確的解析式或數(shù)學(xué)模型加以描述［4］。而直流電源的信道特性就較為干凈，主要的噪聲就是電源紋波。

1.2阻抗特性

理想情況下，當(dāng)沒(méi)有負(fù)載時(shí)，電力線(xiàn)相當(dāng)于一根均勻分布的傳輸線(xiàn)。由于分布電感和分布電容的影響，輸入阻抗會(huì)隨著頻率的增大而減小。當(dāng)電力線(xiàn)上有負(fù)載時(shí)，所有頻率的輸入阻抗都會(huì)減小。一般負(fù)載的類(lèi)型各不相同，便使得不同頻率的阻抗變化也不相同，所以實(shí)際情況較為復(fù)雜。

1.3衰減

電力線(xiàn)一般由良導(dǎo)體加工而成，其本身阻抗很小，對(duì)不同頻率的信號(hào)，其阻抗略有變化且相對(duì)穩(wěn)定。因此電力線(xiàn)本身的阻抗不是產(chǎn)生衰減的主要原因［4］。而并聯(lián)在電力線(xiàn)上的負(fù)載對(duì)信號(hào)衰減影響很大。就負(fù)載而言，其包含的一些大電容，很容易將信號(hào)短路。此外，當(dāng)負(fù)載的阻抗很小時(shí)，發(fā)送耦合電路的內(nèi)阻也不可忽視，它會(huì)分去相當(dāng)一部分功率。

通過(guò)上述分析，直流電源線(xiàn)上的信號(hào)衰減特性和干擾特性復(fù)雜，難以通過(guò)一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型加以描述，這就對(duì)我們耦合電路的設(shè)計(jì)提出了較高的要求，要求有很好的自適應(yīng)能力。

2　頻帶需求

所選信號(hào)的頻帶隨著電力線(xiàn)載波通信應(yīng)用的不同而不同，相應(yīng)的耦合電路也有所差異。

傳統(tǒng)的基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，所使用的信號(hào)頻率范圍，在我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為40～500 kHz，數(shù)據(jù)傳輸速率在100 kbps以?xún)?nèi)，屬于窄帶傳輸。基于點(diǎn)對(duì)多網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)傳輸，原有的500 kHz以?xún)?nèi)的信號(hào)頻帶已不能滿(mǎn)足［10］。我們研究1～10 MHz的頻率范圍，應(yīng)用先進(jìn)的調(diào)制解調(diào)和編碼技術(shù)科實(shí)現(xiàn)百M(fèi)bps級(jí)的傳碼率，屬于寬帶傳輸。相應(yīng)的耦合電路要與所選頻帶相匹配。

3　DC/DC電源變換器

DC/DC電源變換器是直流電源系統(tǒng)重要組成部分，它是各個(gè)電子設(shè)備安全、可靠工作的基礎(chǔ)。DC/DC變換器是將輸入的一次電源母線(xiàn)直流電壓變換成一種或幾種具有一定穩(wěn)壓精度和品質(zhì)的直流電源電壓，為一般電子設(shè)備供電。典型電源變換器的組成詳見(jiàn)圖1。為保證在電源線(xiàn)上的載波不影響到DC/DC變換器后的負(fù)載，所選載波的頻率須在EMI濾波器的阻帶中，所以EMI濾波器的濾波性能對(duì)于我們整個(gè)系統(tǒng)的頻帶選擇至關(guān)重要。

圖1　DC/DC電源變換器組成框圖

常用的EMI濾波器主要有兩種，一是DVMC28，其濾波性能如圖2，一是FMCE-0528-F，其濾波性能如圖3。由圖2、圖3可看出，兩個(gè)濾波器在1～10 MHz的頻帶內(nèi)，對(duì)噪聲的抑制能力相當(dāng)強(qiáng)。

圖2　DVMC28的濾波性能［7］

圖3　FMCE-0528-F的濾波性能［8］

4　耦合電路設(shè)計(jì)

耦合電路（圖4）主要由變壓器和電容組成，載波信號(hào)通過(guò)變壓器、電容耦合到電力線(xiàn)上，同時(shí)從電力線(xiàn)上接收載波信號(hào)。電容C1的耐壓值應(yīng)大于工作電壓，其值選為10 nF。變壓器T1不僅具有隔離作用，又可實(shí)現(xiàn)阻抗變換。電容C1和變壓器T1的初級(jí)線(xiàn)圈組成高通濾波電路，減少了電源紋波及低頻噪聲的干擾，而對(duì)高頻載波信號(hào)提供盡可能小的衰減及線(xiàn)性幅頻、相頻特性［1］。電阻R2的作用是在斷電時(shí)給電容C1提供放電通道。

由于要實(shí)現(xiàn)1～10 MHz范圍內(nèi)寬帶信號(hào)的耦合，耦合變壓器T1的設(shè)計(jì)和制作十分關(guān)鍵。普通的電子變壓器只能實(shí)現(xiàn)幾十Hz到105Hz量級(jí)的信號(hào)耦合，限制變壓器工作帶寬的主要因素在于線(xiàn)圈繞組間的漏感和分布電容。同時(shí)我們還要考慮到變壓器的尺寸，要盡可能的小。最終，我們選取型號(hào)為T(mén)1-6-KK81的變壓器，該變壓器的變比為1:1，在1～10 MHz的頻帶內(nèi)，插入損耗不到0.4 dB，性能相當(dāng)好。其插入損耗圖（圖5）如下。且其長(zhǎng)、寬、高分別為7.62 mm、14.61 mm、6.84 mm，尺寸足夠小，完全滿(mǎn)足需求。

圖4　耦合電路

5　性能測(cè)試

為了測(cè)試數(shù)據(jù)更加真實(shí)、有效，我們要盡量構(gòu)建真實(shí)的直流電源環(huán)境。圖6為我們搭建的測(cè)試環(huán)境，用以測(cè)試耦合電路的性能以及整個(gè)系統(tǒng)的傳輸特性。該環(huán)境主要由耦合電路和DC/DC電源變換器組成，其中DC/DC電源變換器與直流電源中的DC/DC電源變換器完全一致。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是以正弦信號(hào)為載波，為交流信號(hào)。而直流電源的內(nèi)阻很小，為防止交流信號(hào)被直流電源短路，需在直流電源端串聯(lián)共軛電感。感抗應(yīng)在千歐以上，才能有效地防止交流信號(hào)進(jìn)入直流電源。考慮到所選頻帶為1～10 MHz，根據(jù)感抗的計(jì)算公式XL=2πfL，確定所選共軛電感的值應(yīng)在mH級(jí)別。我們所選的電感為32mH，對(duì)1～10 MHz產(chǎn)生的感抗為200 960～2 009 600 Ω，完全滿(mǎn)足需求。

圖5　T1-6-KK81的插入損耗［9］

圖6　測(cè)試環(huán)境

本次測(cè)試共有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均通過(guò)一根2 m長(zhǎng)的雙絞線(xiàn)連接到直流電源。4個(gè)節(jié)點(diǎn)除EMI濾波器不同外，其余皆相同，具體型號(hào)如表1所示。

每次測(cè)試前，均要檢測(cè)DC-DC端的輸出電壓是否正常。若正常方可進(jìn)行下面的測(cè)試，否則就要檢測(cè)線(xiàn)路的連接。實(shí)際測(cè)試環(huán)境如圖7所示。

表1　各節(jié)點(diǎn)主要元件

圖7　測(cè)試環(huán)境實(shí)物圖（左）和節(jié)點(diǎn)連線(xiàn)實(shí)物圖（右）

測(cè)試分兩部分：

第一步：節(jié)點(diǎn)1作發(fā)送端，連接信號(hào)源，節(jié)點(diǎn)2作接收端，連接示波器，同時(shí)將節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4接入到電路中，等效于負(fù)載。信號(hào)源產(chǎn)生的正弦信號(hào)幅值為1.22 V，頻率從1 MHz 到10 MHz，頻率間隔為1 MHz。信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)節(jié)點(diǎn)1發(fā)送到電源線(xiàn)上，節(jié)點(diǎn)2通過(guò)示波器將接收到的信號(hào)呈現(xiàn)出來(lái)。圖8為接收信號(hào)在不同頻率下的幅值，總體呈拋物線(xiàn)狀，其最大值、最小值分別為（5 MHz，348 mV），（1 MHz，28 mV）。我們選取接收端這兩點(diǎn)的波形，如圖9所示。觀察可知，1 MHz處的波形略有重影，5 MHz處的波形清晰，整體來(lái)看，兩處的波形雖各有衰減，但都無(wú)畸變，無(wú)失真，證明系統(tǒng)良好的傳輸性能，體現(xiàn)出耦合電路設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。

圖8　接收端信號(hào)的幅值

圖9　接收端波形1 MHz（左）和5 MHz（右）

圖10　傳輸系數(shù)

第二步：用矢量網(wǎng)分析儀器連接節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2，當(dāng)電路中接入2個(gè)節(jié)點(diǎn)、3個(gè)節(jié)點(diǎn)、4個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，其傳輸系數(shù)S21分別對(duì)應(yīng)圖10中由上到下的虛線(xiàn)、黑線(xiàn)和灰線(xiàn)。觀察可知，三條曲線(xiàn)形狀相似，均呈拋物線(xiàn)狀，最高點(diǎn)依次遞減，分別為（5.095 MHz，-6.421 dB）、（5.095 MHz，-7.202 dB）、（5.275 MHz，-7.918 dB）。

觀察得知，在1～10 MHz頻帶內(nèi)，系統(tǒng)的傳輸系數(shù)在5 MHz附近取得。并隨著接入電路中節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，傳輸系數(shù)逐漸減小。這是因?yàn)殡S著接入電路節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，對(duì)于發(fā)送信號(hào)的節(jié)點(diǎn)1來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于并聯(lián)的負(fù)載數(shù)增加，導(dǎo)致總的負(fù)載阻抗減小，從而負(fù)載的分壓減小，那么節(jié)點(diǎn)2接收到的信號(hào)功率必隨之減少。

由兩部分測(cè)試可知，在1～10 MHz頻帶范圍內(nèi)，信號(hào)通過(guò)耦合電路能過(guò)在電源線(xiàn)上無(wú)失真?zhèn)鬏敚⒃? MHz附近傳輸效率最高，衰減可達(dá)-6.421 dB。且隨著接入電路負(fù)載的增加，傳輸系數(shù)逐漸減小。

6　結(jié)　論

本文針對(duì)直流電源的信道特性，設(shè)計(jì)出適用于直流環(huán)境的寬帶載波通信耦合電路。該耦合電路能使一定帶寬的交流信號(hào)在電源線(xiàn)上無(wú)失真?zhèn)鬏敚夷茌^好地滿(mǎn)足傳輸特性的要求，對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)傳輸特性研究有借鑒意義。

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Coupling circuit design of power line communication based on DC power

LIU Heng-guang1，2，JIANG Xiu-jie1，XIONG Wei-ming1，AN Jun-she1
（1.National Space Science Center of Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

We are trying to transmit control signals on DC power line by Power Line Communication（hereinafter referred to as PLC）technology，which can reduce the quantity of signal lines and simplify the corresponding control system.PLC technologies are currently used in AC environment，but rarely implemented in DC environment，which makes coupling module the key technology in this project.This paper studied the channel characteristics of DC power line，and proposed the frequency band needs，and analysis the structures of coupling module and DC/DC power converter.At last we designed a coupling module successfully and tested its transmission characteristics.

power line communication；coupling；satellite control system；power converter

TN915.18

B

1674-6236（2016）14-0186-04

2015-07-24稿件編號(hào)：201507162

劉恒光（1992—），男，河南焦作人，碩士。研究方向：CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。