HCPL-8100/0810电力线驱动器在窄带通信中的应用

---采用交流市电作为传输媒介的窄带通信系统对当前的宽带通信技术是一个有效补充。传送视频影像、高保真音乐和互联网数据等要求使用宽带网络，而窄带电力线网络则适合家庭和工业领域中的简单应用。家庭领域中的应用包括自动抄表、照明控制、采暖、通风和空调(HVAC)控制、设备和警报系统遥控。在工业环境中，其应用主要是远程控制、从传感器中检索数据及路灯管理。

--尽管各种形式的电力线承载的通信系统已经出现了几十年，但家庭和商业市场的发展速度一直没有达到预期水平，造成这种情况的原因包括国际规范/标准发展慢、电力网络本身具有技术限制和成本/经济考虑因素。

---为成功实现电力线通信这样的开放式通信系统，必需制定规则和标准，以保证每个节点都不会损坏整个网络的功能和性能，而不管其采用何种应用或来自哪家制造商。幸运的是，形势已经改观。在2001年，CENELEC(欧洲电子技术标准化委员会)出版和更新了与低压电力网络通信有关的EN50065系列法规，特别是EN50065-1涵盖了与频段和干扰限制有关的重要要求，EN50065-2-1概括了抗噪声能力要求，EN50065-4-2概括了低压解耦滤波器和安全要求，EN50065-7则描述了设备的阻抗特点。X10、Konnex 1.0和EHS(欧洲家庭系统)等专用协议也已经发展，但它们代表着某些设备的专用标准，对其他制造商没有约束力。

---低阻抗与高电噪声是普通的家庭配电网络中的难题，它要求保证通信网络的每个器件(从耦合接口到使用的电力线收发机类型)相匹配，在任何条件下实现可靠通信。图1显示了与配电网络有关的噪声问题。在电噪声高的情况下，收到的信号信噪比明显下降。

---电力线网络的成本不仅仅是元器件和制造成本，还包括安装和配置成本，另外还有与通信节点耗电量有关的运营成本。每个通信节点的功耗必须尽可能低，因为这些节点一直开着，随时准备从远程发射机接收命令。

---安捷伦HCPL-8100/0810高电流线路驱动器功耗低、简单，并符合CENELEC国际协议和标准，使电力线通信网络变得更加高效可靠。安捷伦还提供HCPL-800J DAA(数据存取装置)芯片，为电力线调制解调器模拟前端(AFE)提供了替代方案。

采用电力线作为通信媒介
---电力线传输媒介由与电力线相连的所有设备组成，包括家居配线电缆、家电布线、家电本身、操作面板和把操作面板连接到变压器上的接入电缆(火线、零线和地线)及变压器本身。由于变压器通常为一个以上的家庭服务，还必须考虑连接同一个变压器的所有家庭的负荷和布线。

电力线阻抗
---电力线阻抗受到多个因素影响，变化很大。研究数据表明，家庭交流市电的阻抗随着频率提高而提高，在100kHz时可以在1.5～8Ω之间。EMI滤波器(除正常负荷外)似乎对阻抗的影响，这些EMI滤波器由安全电容器和扼流圈组成，广泛用于家用设备中，如电脑、冰箱、洗衣机、电视和音响。对这些负荷，在150kHz时预计信号衰减将高达50dB，具体数值取决于所使用的变压器和负荷大小。

---电力线载波系统在信号电压/功率电平一定时的发送范围取决于配线网络的物理配置。对连接到同一个分支电路上的通信节点，典型的插入损耗约为5～15dB。如果发送机和接收机位于不同的电路分支中，如使用配线架分开，那么会有大约10～20dB的进一步衰减。在坏情况条件下，发送信号的总衰减可以高达85dB。

---EN50065规范/标准接受两种仿真市电网络，其符合CISPR 16-1:1993第11.2款测量标准。但是，在实际电力线网络上进行的测量结果表明，这些仿真网络没有地表示实际电力线网络中的阻抗。为更好地评估实际信令系统的性能，必须与CISPR 16-1仿真网络一起使用自适应网络。

电力线噪声
---连接到电力线承载系统的变压器二级装置上的设备会生成不同程度的线路噪声。噪声源包括灯光亮度调节器中使用的三端双向可控硅开关元件、马达、开关电源和荧光灯。三端双向可控硅开关生成的噪声与50Hz的市电同步，表现为50Hz的谐波。来自交流马达的噪声一般是异步的，不像三端双向可控硅开关生成的噪声那么强。

---自20世纪70年代开始，在电力线中广泛引入了两种新的噪声源：荧光灯电子镇流器和开关电源。在许多情况下，它们都有自己的工作频率，或产生3～148.5kHz的谐波，在电力线通信频段范围内会导致杂散信号的产生。

采用HCPL-8100/0810及通信调制解调器
---安捷伦HCPL-8100/0810是一种高电流线路驱动器，适用于在低压(120/240VAC)和中压(2kV)接入市电上实现电力线通信，其主要功能是为电力线收发机提供足够的驱动能力。除线路驱动器功能外，HCPL-8100/0810具有许多内置功能，如电压不足检测、负荷检测、温度过高检测和状态输出。图2是HCPL-8100/0810简化的方框图。

---HCPL-8100/0810可以用来把发送的信号从电力线调制解调器(PLM)收发机直接耦合到电力线中，而不需通过信号变压器或光学隔离器，图3说明了怎样实现非隔离信号耦合。

---HCPL-8100/0810可以在3.5Vpp时为9～450kHz的信号频率提供高达1App的电流。耦合使用简单的LC网络完成，LC网络滤掉市电频率(50Hz和谐波)，为来自收发机的载波信号提供调谐的传输频带。

---通过采用发送滤波器获得正弦曲线载波输入，设备的线路驱动输出可以实现EN50065国际规范/标准要求的非常低的谐波失真(对第二个谐波及更高的谐波，应好于-60dBμVRMS)电力线信号。

---HCPL-8100/0810还可以与隔离信号耦合接口一起使用。尽管HCPL-8100/0810线路驱动器在全负荷时3.5Vpp的线路驱动器输出电压对大多数电力线通信已经足够了，但某些应用如自动抄表(AMR)要求更高的载波信号电压。EN50065-1规范的Class-122允许对95～148.5kHz之间的载频，在电力线市电上实现高达7Vpp的信号电压。

---图4所示的耦合接口把电力线收发机的差分输出通过双HCPL-8100/0810线路驱动器和信号变压器连接到交流市电上，带有通过信号变压器的单端输出，为发送的信号提供高效的7Vpp驱动电路，为低频交流市电电压(240VAC、50Hz或120VAC、60Hz)、噪声和噪声突发和浪涌提供可靠的滤波系统。由于能够降低发送信号的偶次谐波，推荐使用这种差分解决方案。

---对只提供单端发射机输出的收发机，建议采用图5中的电路。该电路提供了一种简单的方法，可以使驱动电压翻一番(提高6dB)，而不会通过串联两个线路驱动器而损害电流驱动能力。对低于70kHz的载频，CENELEC规范中允许超过7Vpp的电力线信号电压。通过提高信号变压器T1的线圈比率，可以实现这种信号电平。

---假设输入信号是1.75Vpp，个线路驱动器(U1)的增益设为3。Vout1将是3.5Vpp，由于HCPL-8100/0810的反转效应，U2的Vout2输出也是3.5Vpp，但相位与Vout1相差180°。这导致7Vpp信号经过T1的主线圈。对Vin上不同的输入信号电平，可以使用R1和R2之比调节U1阶段的增益，在Vout1上获得3.5Vpp。为在Vout1和Vout2之间实现180°差分，U2的增益(R4/R3)应一直固定在单位增益上。如果电力线阻抗低于7Ω，建议使用外部电阻器R9和R10，把输出电流限定在1App。电力线状态(如短路或过流)可通过STATUS引脚为微控制器提供，这个引脚作为接地警报系统使用，防止U1和U2发生灾难性故障。如果通过U2的相位延迟很大，那么图5中所示的配置将不能正常运行。测试发现，在400kHz载频时的相位延迟仅约为30ns，对大多数应用而言可以忽略不计。

---图6是图5中电路的响应。粗线(Acl)表示闭环电压增益，细线(Aol)则表示开环电压增益的频响。闭环响应在9～450kHz的载频范围是平坦的，符合CENELEC EN50065要求和FCC Part 15要求。

---对于100kHz载频，在使用50Ω CISPR 16负荷及7Vpp信号和5V电源测试时，谐波均为-62dBc。电路使用1:1线圈比率信号变压器和X2级安全电容器。必须在与交流市电电压直接接触的所有解耦单元(线路驱动器、变压器和电容器)上进行CENELEC规范/标准中列明的一系列4kV或6kV级，采取一致性测试。

发送部分
---对Class 116应用，推荐的电路使用3:1线圈比率信号变压器。信号耦合电路的功能是允许从线路驱动器(两个HCPL-8100/0810的输出)把发送信号以效率注入到交流市电中，同时抑制市电网络上较高的谐波发出的噪声和杂散信号。传感干扰的临界频率是载波信号的第二个谐波和第三个谐波(对132.5kHz载频来说分别是265kHz和497.5kHz)以及任何开关电源或稳压器的工作频率的谐波。开关电源噪声可以是窄带噪声，也可以是宽带噪声。

---发射机电路使用的配置是二阶带通滤波器，两个电极的位置采用发送载频或132.5kHz，参见图7。为高效设计滤波器，必须考虑各种器件的相互影响以及变压器泄漏电感(大约0.1～10μH)、TVS电容(大约2nF)和元器件ESR的影响。如果只考虑电抗器件和变压器(3:1圈数比率)，那么可以使用图8中简化的等效电路。在实际设计中，必须考虑交流市电网络预计的阻抗，其通常是一个电感负荷。如果没有提供等效市电网络，可以使用参考负荷，如CISPR16-1中提供的仿真网络(50Ω与5Ω及50μH并联)。简单的电路是CISPR 16仿真网络的电抗部件，为两个50μH电感器。

---两个电极的公式是：
---fp1=fp2=1/[2·π·√(L·C)]=132.5kHz
---其中L=101μH, C=C10。在这个频率上，500nF/N2的影响可以忽略不计。
---在重负荷条件下，HCPL-8100/0810信号电流的峰值可能会达到0.5App以上的值，而没有明显失真。这意味着与信号串联的所有耦合电路器件(包括信号变压器)都必须能够承载这一电流，而不会饱和或过热。电感单元的电流与各个电感成比例，但随着电感提高，其ESR也会提高。这些电感单元的ESR必须尽可能低，以实现良好的耦合效率。事实上，即使在串联电阻只有1Ω时，发送信号在重负荷条件下的耦合损耗仍可能会过高。因此，需要使用大型线轴磁芯电感器，保证每个电感器要求的线圈数量尽可能低。电容器C10的主要功能是抑制50Hz市电频率，使用尽可能低的电容，以保证经济性，降低饱和效应，本设计的选择值是220nF，并应该采用X2级安全电容器。

---考虑到所有交流市电电压降在C10电容器中，可以使用下述公式确定通过信号变压器线圈的电流。
---I=240Vrms·2π·50Hz·C10=16.6mArms
---从上面的计算可以看出，16.6mArms的50Hz电流流经线圈的交流市电一侧。信号变压器应设计以防止这一低频电流造成饱和。信号变压器是这一应用中关键的器件。为提供有效的功率转移及限度地降低插入损耗，建议使用主电感(在交流市电相反一侧)大于1mH及有效串联电阻低于0.5Ω的变压器。如果泄漏电感非常高，那么它将影响耦合电路的整体性能。因此，应使用泄漏电感小于1μH的信号变压器。欧洲CENELEC标准规定了电力线通信应用的绝缘电阻和介电强度。EN50065-4-2中提到两种介电强度等级，即4kV和6kV，这也会影响信号变压器设计。

---为防止在负荷过高时HCPL-8100/0810发生热关闭，较好的解决办法是使用3:1比率变压器。参考变压器主负荷的同等阻抗要比1:1比率变压器高9倍，HCPL-8100/0810提供的信号电流降低到1/3，惟一的问题是交流市电上的输出电平也将下降到1/3。这种隔离耦合形式的另一个优势是采用对称结构，通过降低均匀谐波的电平，来补偿器件的非线性度。

接收机部分
---在接收机部分增加了电阻器R12，以保证接收模式下的输出阻抗符合CENELEC规范/标准(EN50065-7)，如图5所示。为在接收模式下有效操作，下面的HCPL-8100/0810设备应使输出并联到地，可以通过利用Tx-en针脚支持设备来实现。在这种接收条件下，5V TVS D1和D2作为到地的共模浪涌和突发瞬变的电压钳位电路使用。如果没有它们及轨到轨保护二极管D3、D4、D5和D6，超过11V的瞬变电压会损坏HCPL-8100/0810设备。这一配置适用于简单的单端接收机，但是单端配置不能抑制共模噪声。为更好地抑制共模噪声，建议使用差模接收机。图9是132.5kHz信号使用的相应差分接收网络。

电源考虑因素
---电路板设计的一个基本考量是电源系统配置。建议所有接地端子都连接到一个公用接地平面及HCPL-8100/0810芯片的接地针脚上，在132.5kHz的信号传输过程中，电源和接地平面上将出现高电流(典型值高达0.265Arms，即0.75App)。如图10所示，从HCPL-8100/0810输出到Vcc和Gnd针脚的轨迹应尽可能粗、尽可能短，以降低串联电阻。如果接地或电源通路具有2mΩ或更高的电阻，那么载频信号可能会产生第二次谐波波纹，并可能会通过信号变压器耦合到市电上。假设单位(或0dB)电源抑制比(PSRR)，可以通过下述公式计算谐波电平。
---0.75App·2mΩ=1.5mVpp= 54.5dBμVrms
---如上面的值所示，如果没有良好的PSRR性能，就算有理想的、没有波纹电压的DC电源，载波信号导致的输出干扰相对于CENELEC要求也已经非常大了。幸运的是，HCPL-8100/0810的典型PSRR约为72dB，因此输出上出现的实际干扰仅约为-17.5 dBμVrms,或0.38μVpp。

---在使用以132kHz频率开关，且全负荷输出波纹是50mVpp的开关电源为HCPL-8100/0810提供直流供电时，132kHz时的干扰将是12.9dBμVrms，或发送时的12.6μVpp。接收机上相应的干扰将略低，约为10μVpp。这个值尽管很小，但其已足够高，可以影响接收机的灵敏度。因此，如果使用开关电源，那么使用的开关频率要比载频高得多，这一点非常重要。

---通过正确设计开关电源及选择输出器件，可以进一步降低电源波动噪声。的改善来自使用具有超低ESR的电解电容器。另一个问题是Vcc模拟电源上出现的噪声可能也会耦合回到收发机设备上。为避免这种情况，应在电源和收发机的Vcc之间使用良好的钽电容器，把噪声并联到Gnd针脚上。

---浪涌和突发保护
---由于HCPL-8100/0810的电力线通信应用同时涵盖室内环境和室外环境，因此必须使用相关的一系列CENELEC抗干扰能力指标标准和测试，模拟环境条件。必须进行EN61000系列抗干扰能力测试中规定的测试，以检验是否符合规范/标准。推荐的耦合电路结构在高压测试中是一个弱项。实际上，低插入损耗的有效耦合网络的结果，是从交流市电到HCPL-8100/0810的线路驱动器电路上提供了一条低阻抗通路，因此在高压瞬变时可能会损坏设备。基于这一原因，建议从市电到线路驱动器增加保护设备，如MOV(金属氧化物变阻器)和TVS(瞬变电压抑制器)，如图11所示。

---RV1上额定值为275VAC的MOV、D1和D2上额定值为5V的双向TVS及轨到轨保护二极管提供了浪涌和突发保护。另外还需要使用轨到轨保护二极管，如D3、D4、D5和D6，因为在差模浪涌和共模浪涌状态下TVS的钳位电压仍高于为集成电路提供的Vcc电压。应根据MOV的等级选择熔丝的额定电流。对电力线应用，根据EN50065-4-2要求，应能够耐受4kV/6kV的瞬变/浪涌电压。与浪涌和突发保护有关的其他考虑因素取决于多种情况，如耦合接口、电路板布局和使用的元器件特点。

共模噪声抑制
---为实现良好的接收机性能，其灵敏度应尽可能高，灵敏度电压电平应尽可能低，以便可以扩展整体接收机范围/距离。重负荷电力线条件下的载波信号将经历高衰减，高达100dB甚至更高。在这些条件下，来自共模噪声的干扰会变得非常明显。如果没有正确的共模噪声抑制技术，则不能改善接收机灵敏度。如图9所示，通过使用差模接收机配置所作的实验，发现如果TVS D1和D2的中心分接头没有接地，那么对信号变压器中20Vpp的共模噪声源，接收机的共模噪声输出可能会高达115mVrms。一旦TVS D1和D2的中心分接头接地，整体共模噪声输出会下降约28dB，达到16mVrms。

---如果信号变压器提供中心分接头，可以进一步抑制共模噪声。在信号变压器的中心分接头接地时，可以把整体共模噪声输出再降低30dB。这样通过把TVS D1和D2及信号变压器接地，整体共模噪声抑制可以高达58dB。图12说明了适合共模噪声抑制的终接收机配置。