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电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述

发布时间：2020-10-07 来源：罗嘉林，庞家华 责任编辑：wenwei

【导读】AFE031是一款应用于电力线通信的模拟前端器件，可以作为电力线通信系统的收发器。本文将从AFE031应用背景、基本框架及系统设计三个方面进行介绍。
 
一． 应用背景
 
电力线通信（Power Line Communication, PLC）是一种利用电力线进行数据信息传输的通信技术，其基本系统框图如图1所示。数字信号经调制后以载波形式发送，再经PLC收发器进行调理后，加载到电力线上进行传输，而接收则是一个反向过程。SunSpec快速关断协议是专门针对光伏系统快速关断功能制定的PLC协议。SunSpec规定，调制方法采用B-FSK（二进制频移键控），B-FSK调制原理如图2所示，SunSpec指定的两种载波频率分别为fm=131.25kHz，fs=143.75kHz，处于窄带通信的CENELEC B/C/D频段中。另外，SunSpec指定发送的两类有效指令包括了关断指令及正常工作指令，一个指令的完整发送周期为1070.08ms。详细的FSK原理介绍及SunSpec通信参数规定请看TIDA-060001。
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述
图1.  PLC系统框图
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述
图2.  FSK调制原理
 
PLC的收发器由模拟前端器件构成，该环节对MCU发送的数字信号或从电力线接收到的载波信号进行调理，从而保证信号能准确、有效、可靠地在电力线上进行传输。而AFE031正是一款优质的PLC模拟前端器件，可用于构建支持SunSpec等协议的PLC系统，其与MCU的接口也如图1所示。
 
二． AFE031基本概述
 
AFE031内部高度集成，图3是AFE031的功能框图，其中，红圈标示了PLC的Tx?？?，蓝圈标示了PLC的Rx?？椋硗?，紫圈标示了其他辅助功能模块，内部资源丰富。
 
Tx?？楦涸鸲苑⑺吐肪缎藕沤写?，其包含数模转换器DAC、增益可调放大器Tx_PGA、带宽可调低通滤波器Tx_Filter以及功率放大器PA。在Tx模块内，待发送信号被放大和滤波后送入功率放大器PA，PA以6.5V/V的固定增益进一步将信号放大后输出，驱动负载。
 
Rx?？楦涸鸲越邮章肪缎藕沤写恚邮章肪渡系幕方谝来问窃鲆婵傻鞣糯笃鱎x_PGA1、带宽可调低通滤波器Rx_Filter 、可调增益放大器Rx_PGA2。接收信号经过放大、滤波处理后送入MCU的ADC以还原数字信号。
 
MCU经SPI接口可对AFE031寄存器进行配置从而改变Tx模块及Rx?？榈姆糯笃骷奥瞬ㄆ鞑问?，针对SunSpec应用，Tx和Rx的滤波器可设置为CENELEC B/C/D档，对应截止频率为145kHz。更多MCU与AFE031接口方式及调参方法请浏览SBOA130A及TIDA-060001。
 
AFE031的优势可以总结如下：支持包括SunSpec在内的多种协议；供电PA_Vs范围大，为7-24V；输出电流可达1.5A；接收灵敏性好，可检测到低至20 μVRMS信号；高度集成，资源丰富；配置灵活。
 
以上对AFE031基本框架、主要模块功能作用以及优势做了一个基本的介绍，关于各模块参数值、工作原理、寄存器配置的详细介绍请参考AFE031数据手册。
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述
图3.  AFE031功能框图
 
三． 基于AFE031的SunSpec PLC系统设计要点
 
构建基于AFE031的SunSpec PLC系统有几个部分要重点考虑： Tx路径、Rx路径、电力线耦合电路、?；さ缏?，下面将分别对这几个部分的外围电路设计要点进行介绍。
 
（1）Tx路径
 
AFE031支持两种Tx模式，分别是DAC模式和PWM模式，两者的连接方式及外围电路设计都有所差异，如图4(a)和图4(b)所示。
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述
图4.  Tx路径. (a) DAC 模式，(b)PWM模式
 
两种模式都需设置PA输入端交流耦合电容CIN以及PA限流值设置电阻RSET。而CIN作为高通滤波器，其取值决定于用户需要的截止频率fHP。SunSpec的较低频率fm=131.25kHz，为预留一定裕量，应设置fHP应小于fm，CIN的计算公式为：
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述   (1)
 
而RSET串接于PA_ISET引脚，RSET与限流值ILIM的关系式为：
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述   (2)
 
两种模式的区别在于，DAC模式下，MCU会通过快速中断给AFE031发送正弦波离散值，虽然该过程会占用较多CPU资源，但传送信号经DAC转换后，谐波含量很小，无需设置太多外围滤波器；而PWM模式下，MCU直接通过外设ePWM给AFE031发送PWM波，这种模式下，MCU的配置很简单，但信号的谐波含量较大，需要设置外围滤波器，如图4(b)所示的RC低通滤波器Fd1和Fd2，可加强滤除PWM波的高次谐波。RC低通滤波器推荐使用电阻Rd为510Ω，截止频率为fL，fL应大于待传送信号频率。而SunSpec协议的最大载波频率为fs=143.75kHz，所以fL应大于fs，对应的Cd1和Cd2的设置可参考以下公式：
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述   (3)
 
（2）Rx路径
 
Rx路径如图5所示，Rx路径上，接收信号先后经过外围带通滤波器F1及AFE031内部Rx?？椤?/div>
 
由于电力线工作环境复杂， AFE031接收到的信号可能含有各种干扰，因此，有必要为Rx路径设置一个外围的带通滤波器F1，F1是四阶带通滤波器，其设计可遵循以下原则：首先选定滤波器特征阻抗Zc，该值与传输线阻抗匹配，对于PLC应用，可设定为1kΩ；然后确定电阻大小，两电阻R1、R2起到分压作用，当选择R1=R2=Zc，信号有-6dB的衰减，若选择R1=Zc，R2=10Zc，则信号有接近0dB的增益；最后可按照以下公式确定剩下的LC参数：
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述   (4)
 
其中f1是带通滤波器的低频截止频率，f2是带通滤波器的高频截止频率，针对SunSpec的应用，f1应小于fm，f2应大于fs。比如可选择C1=1.7nF，C2=1nF，L1=1.2mH，L2=1.5mH。
 
此外应注意的是，Rx_Filter是一个单位增益四阶低通滤波器，需要依靠两个外部辅助电容来正确配置滤波器，对于SunSpec所处的CENELEC B/C/D频段，两电容设置分别是CR1=270pF，CR2=560pF。
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述
图5.  Rx路径
 
（3）电力线耦合电路
 
电力线耦合电路用于连接AFE031与电力线，使得信号能在两者之间交互。交流电力线与直流电力线的耦合电路会有所区别，需分别介绍。
 
a. 交流应用
 
对于交流应用，电力线耦合电路如图6所示，包含低压侧电容CLV、变压器T、高压侧电容CHV，以及高压侧电感LHV。其中CLV的作用主要是隔绝低压侧偏置直流电压，该电容应对高频信号呈现低阻抗，常用10μF电容，其耐压值应大于稍后介绍的TVS钳位电压值。而CHV与变压器T绕组电感构成分压器，CHV承受低频交流大电压VAC，而高频信号经变压器耦合到低压侧。CHV的大小要根据无功功率限值VAlimit来设定：
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述   (8)
 
其中fP为工频，CHV的耐压值应高于电力线电压。但根据VAlimit设置的CHV可能带来较大的阻抗，从而导致驱动负载的能力不足，所以需要辅以LHV维持电力线路低阻抗，对于SunSpec，可以认为两载波频率fm和fs的中心频率为fb=137.5kHz，从而可以确定LHV的取值：
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述   (9)
 
至于变压器T的匝数比取值，可以根据负载获得PA最大输出功率的需求进行匹配。假设VPA_out_peak和IPA_out_peak分别是PA输出最大电压和电流，高压侧等效负载为Rload，变比可参考下式：
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述   (10)
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述
图6.  交流耦合电路
 
b. 直流应用
 
在低压直流应用中，可以不需要变压器，仅以电容CDC耦合电力线与模拟前端电路，如图7所示，直流母线电压为TPS43060生成的24V，而耦合电容CDC常取为10uF，其额定电压需大于直流母线电压。另外，由于直流线路为低阻抗线路，且TPS43060输出端对于高频信号也呈低阻抗，PA输出信号可能会从直流线路进入直流电源然后被拉低，从而极大影响PA输出摆幅，因此需要在电源侧串联电感LDC以提高电源输出阻抗，如图中的680uH，对SunSpec中心频率的阻抗达到587Ω。需注意的是，此处为低压直流场合，基于电容耦合，电力线侧的地可与AFE031的地相接。
 
若应用于高压直流场合，应避免两地直接相连，须重新采用变压器进行隔离耦合，可参考图8所示的EVM板Boost-AFE031框图。
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述
图7.  低压直流耦合电路
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述
图8.  通用直流耦合电路
 
（4）?；さ缏?/div>
 
下面以直流应用的?；さ缏肺兴得鳌Ｖ绷饔τ玫谋；さ缏啡缤?所示。其中TVS管是瞬态二极管，防止瞬间大电压损坏AFE031，TVS的钳位电压应稍大于PA_Vs/2，要在确保不误触发的前提下提高保护的可靠性。肖特基二极管D1-D2的作用是抑制持续过电压对AFE01的影响。而由于D1-D2具有结电容，结电容的不平衡将导致直流偏压不能维持在PA_Vs/2，分压器Rb1-Rb2的作用正是要改善这种情况，使PA输出有正确的直流偏置。稳压管Z的作用是稳定AFE031的PA供电电压PA_Vs。Lo-Co-Ro组合作为一个额外的噪声或振铃吸收器，选取的经验值为Ro=4.7Ω，Co=1nF，Lo=1mH。
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述
图9.  ?；さ缏?/div>
 
四． 测试结果及总结
 
基于AFE031构建SunSpec PLC系统进行测试验证，图10和图11分别是指令传输波形以及发送不同载波时对应的波形频谱。可见该系统能顺利执行SunSpec PLC通信功能，而且谐波含量少，确保了PLC通信的可靠性。
 
AFE031作为一款PLC模拟前端器件，支持包括SunSpec在内的多种PLC协议，能方便地实现可靠的PLC通信功能。其优势还在于有较大的供电电压范围、较大输出电流、可检测低至20μVrms信号的接收灵敏性。在系统设计时，可根据选定的通信方式，通过SPI接口配置AFE031寄存器，并相应地取定外围滤波器参数，最后加上电力线耦合电路以及必要的?；さ缏芳纯赏瓿上低彻菇ā?/div>
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述
图10.  传输波形实验结果
 
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述
图11.  (a) fm载波频谱，(b)fs载波频谱
 
 
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