電力線通信設備電源端口浪涌防護電路設計

榮國成，王昊，沙莎

（1.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；2.長春電子科技學院 電子工程學院，長春 130114）

電力線通信（Power Line Communication）技術簡稱PLC技術，是利用交流電線傳輸數(shù)據(jù)信號的一種通信方式［1］。通常用于家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸，其特點是充分利用室內(nèi)隨處可見的電源插座，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)技術并列成為家庭網(wǎng)絡的主流技術，已在歐美日等國得到廣泛應用［2］。

電力線載波通信技術的智能家庭終端設備的典型應用如圖1所示，通過FTTH家庭組網(wǎng)模式，采用GPON光纖接入方式，使用PLC終端設備可以將同一個電表下的任一電源插座轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡端口。利用現(xiàn)有的電力線即可完成網(wǎng)絡構建，無需重新鋪設網(wǎng)線，真正實現(xiàn)即插即用，顯著節(jié)約網(wǎng)絡建設成本和加快網(wǎng)絡建設速度。另外，集成了無線網(wǎng)絡功能的PLC終端設備還解決了目前無線網(wǎng)絡信號在室內(nèi)傳輸?shù)拇透采w問題，方便用戶在室內(nèi)不受位置限制地使用無線網(wǎng)絡。隨著網(wǎng)絡應用需求的持續(xù)增長以及PLC技術的不斷完善，PLC終端設備的應用前景十分廣闊［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載的影響，電力線上會產(chǎn)生危害設備安全的浪涌干擾［4-6］。為了保護設備不因浪涌干擾而損壞，設備交流電源輸入端口必須具有符合要求的浪涌防護能力（包括共模防護和差模防護）［7-8］。對于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的交流電通過該端口輸入至PLC終端，而工作頻率為2～200 MHz的PLC高速信號也通過該端口進行傳輸。因此要求該端口的浪涌防護電路不但能夠提供足夠的浪涌防護能力，而且對載波在電力線上的高速信號的衰減可以忽略不計，從而保證PLC終端設備的通信能力。另外，作為一款室內(nèi)用戶終端，浪涌防護電路設計應服從結構微型化和低成本設計的整體要求。

目前，PLC設備的目標市場集中于國內(nèi)的社會需求和運營商需求，因此電源端口浪涌防護設計目標以符合中國電信企標Q/CT 2394規(guī)定的要求為準［9］，即電源端口浪涌防護電路要求具有±4 kV的差模和共模浪涌防護能力。

1 基本電路及浪涌干擾影響分析

1.1 PLC設備電源端口基本電路

采用L、N和PE三根線傳輸信號的通信方式具有兩個數(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現(xiàn)了PLC信號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設備電源端口基本電路

電力線載波可通過PLUG獲取220 V交流電以及傳輸 PLC信號［10］。電感 L1和 L2對低頻的220 V交流電呈現(xiàn)低阻抗，對高頻的PLC信號呈現(xiàn)高阻抗，目的將220 V交流電傳輸至AC/DC電源轉(zhuǎn)換電路，同時實現(xiàn)PLC信號與電源轉(zhuǎn)換電路的隔離。電容C1和C2對高頻的PLC信號呈現(xiàn)低阻抗，對低頻的220 V交流電呈現(xiàn)高阻抗，目的將PLC信號耦合至PLC電路，阻止220 V高壓進入PLC電路。

1.2 浪涌電路影響

通過對元器件參數(shù)的設置以及電路的分析，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，用來隔離交流電和浪涌干擾。

圖3 差模浪涌干擾模擬電路

通過Pspice仿真模擬觀察電源端口上的浪涌干擾對后級電路的影響如圖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?，差模浪涌干擾進入電力線載波電源端口后，由于PLC信號耦合電容的高阻抗作用，很大一部分浪涌干擾進入了電源通路。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。同時仿真結果顯示，PLC耦合電容對浪涌干擾具有較大的阻隔作用，進入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定為1 kV時的仿真結果，當浪涌峰值電壓為4 kV時，浪涌電壓將超過電力線載波單板上幾乎所有器件的耐壓水平，如果不使用防護電路必然會導致器件被擊穿和燒毀。

2 雙級保護電路設計

2.1 電力線載波電源端口電路設計

綜合考慮差模與共模浪涌干擾，PLC電源端口防護電路共設有二級防護電路，如圖7所示。

圖7 電力線載波設備電源端口浪涌防護電路

浪涌防護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組成第一級防護，其中MOV1和MOV2用于GDT的熄弧，MOV3和TVS分別為電源線路和PLC線路的第二級防護，去耦電感L1、L2和變壓器T1、T2同時也作為第一級防護和第二級防護的退耦器件。

GDT的阻抗超過1 GΩ，遠大于壓敏電阻阻抗10 MΩ，因此第一級防護電路中，初始浪涌電壓幾乎全部施加在GDT1上。當浪涌電壓超過GDT的動作電壓后，GDT1導通，接近短路，于是浪涌電壓就全部施加在壓敏電阻上，并且導致壓敏電阻導通。當?shù)谝患壏雷o電路的殘壓導致第二級防護器件動作時，第二級防護進一步降低向后級傳輸?shù)倪^電壓峰值，從而對后級電路形成保護，防止過電壓損壞設備。

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電壓干擾消除后氣體放電管GDT1能夠有效熄弧。當流經(jīng)GDT1的電流小于輝弧轉(zhuǎn)換電流（glow to arc transition current）時，GDT1從弧光放電轉(zhuǎn)換為輝光放電，當交流電過零時，GDT1兩端電壓為0，實現(xiàn)有效熄弧。

當共模浪涌通過電壓干擾消除后，線路上僅有220 V交流電。此時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MOV2兩端的電壓應滿足為：

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動作電壓的10%容差，壓敏電阻的直流動作電壓不應小于：

壓敏電阻放置于去耦電感后級，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PLC信號的衰減，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，則可通過式（1）計算出正常狀態(tài)下壓敏電阻阻抗隨頻率的變化，根據(jù)式（2）可計算出壓敏電阻對PLC信號的衰減大小（假定源和負載阻抗均為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超過1.5 pF，考慮寄生電感的影響，對PLC信號的衰減不會超過3 dB。TVS的寄生電容一般為3～5 pF，最低可為0.5 pF，對PLC信號的衰減也不會超過4 dB。由于隔離電感的作用，放置于其后的MOV3對PLC信號的影響可以忽略不計。

3 驗證測試結果

通過使用標準的浪涌信號發(fā)生器產(chǎn)生4 KV、1.2/50 μs波形的信號，對交流電源端口施加正、負各5次的浪涌脈沖測試，且每兩次脈沖間隔時間不少于一分鐘。對電源線和信號線應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浪涌試驗時電力線載波電源端口L-N電壓波形

圖9 共模4 kV浪涌試驗時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曲線來看，浪涌干擾導致了疊加在220 V上振蕩電壓的產(chǎn)生，與圖5、圖6的仿真結果相對應，表明了仿真技術在浪涌防護電路設計上的可行性。

分別采用焊接防護器件PLC設備和未焊接防護器件PLC設備的兩種情況下進行組網(wǎng)對比測試，采用信噪比和建鏈速度專用監(jiān)控測試工具對組網(wǎng)內(nèi)的兩個PLC設備進行對比測試，兩臺PLC設備通過濾波器和衰減器進行互聯(lián)，測試傳輸信號的信噪比和建鏈速率。在實驗室的環(huán)境下，采用濾波器對220 V電源和載波信號進行濾波分離，電力線載波信號通過同軸線和可調(diào)式衰減器進行連接兩個PLC設備，模擬真實環(huán)境進行測試。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比，分別如圖10-圖13所示。

圖10 未焊接防護器件時傳輸速率

圖11 未焊接防護器件時信噪比

圖12 焊接防護器件后傳輸速率

圖13 焊接防護器件后信噪比

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

4 結論

電力線通信設備的電源端口作為一個新型的多功能端口，浪涌防護電路設計不但要考慮防護能力，還要求不能影響設備的通信能力，同時還應兼顧成本要求。本文通過Pspice仿真軟件對電路進行預仿真，提出符合需求的浪涌防護電路設計方案，通過實際測試完全滿足不引入噪聲且滿足浪涌指標的需求。這些方法并不僅僅適用于該設備，對其它可靠性設計也有一定的借鑒意義。