如何保護(hù)電力線通信 (PLC) 系統(tǒng)：需要了解的兩項(xiàng)技術(shù)

作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

像智能電網(wǎng)、智能電表和智能路燈這樣的智能能源基礎(chǔ)設(shè)施裝置都需要可靠、經(jīng)濟(jì)、安全的通信。雖然無線技術(shù)可以發(fā)揮作用，但其脆弱性、成本和覆蓋范圍的限制帶來了巨大挑戰(zhàn)。電力線通信 (PLC) 技術(shù)可通過現(xiàn)有的電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵通信的良好基礎(chǔ)技術(shù)。

盡管 PLC 的定義明確且應(yīng)用廣泛，但設(shè)計(jì)人員仍需注意一些可能破壞通信的問題，如信號(hào)衰減、噪聲和瞬態(tài)電壓。要解決這些問題，就需要切實(shí)有效的解決方案，以確保最佳性能。PLC 變壓器和 GMOV 過壓保護(hù)器就是其中的兩種解決方案。

PLC 變壓器經(jīng)過優(yōu)化，可將窄帶 (NB) 應(yīng)用中的插損降至最低。它們還能減少電隔離和電磁干擾 (EMI) ，提高信號(hào)質(zhì)量和可靠性。GMOV 是一種混合過壓保護(hù)元件，結(jié)合了氣體放電管 (GDT) 和金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)。其設(shè)計(jì)克服了標(biāo)準(zhǔn) MOV 的局限性和故障問題，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn) MOV 在惡劣和不受控制環(huán)境中容易發(fā)生降級(jí)和熱擊穿。

本文簡(jiǎn)要回顧了 PLC 的工作原理及其適合智能基礎(chǔ)設(shè)施的原因。然后介紹了 [Bourns] 提供的 PLC 變壓器和 GMOV 保護(hù)器實(shí)例器件，說明它們的工作原理，并介紹對(duì)之進(jìn)行選擇和應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮的一些因素。

PLC 操作、應(yīng)用和挑戰(zhàn)

在 PLC 系統(tǒng)中，所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)要先調(diào)制到載波信號(hào)中，然后再注入電力線。不同應(yīng)用的細(xì)節(jié)差別很大，但 IEEE 1901.2 是全球電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了低頻（≤ 500 千赫茲 (kHz)）窄帶通信速率最高 500 千比特/秒(Kb/s)，適用于智能電網(wǎng)、智能電表和智能街道照明等應(yīng)用。

盡管 PLC 技術(shù)已被證明是智能能源基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)人員的有用解決方案，但它也并非沒有挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)障礙包括信號(hào)衰減、噪聲和瞬態(tài)電壓，所有這些都會(huì)大大降低通信質(zhì)量和可靠性。具體而言：

• 信號(hào)衰減是一個(gè)問題，因?yàn)?PLC 信號(hào)使用的線路是為輸電而設(shè)計(jì)的，而不是為數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的。這些線路的阻抗特性會(huì)造成相當(dāng)大的衰減，尤其是在長(zhǎng)距離上。由此造成的信號(hào)強(qiáng)度下降會(huì)降低有效范圍，并可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或出錯(cuò)。
• 噪聲有多種來源，如連接到電力線上的電子設(shè)備、供電變化和外部 EMI。PLC 數(shù)據(jù)信號(hào)的頻率相對(duì)較高，因此特別容易受到非屏蔽電網(wǎng)中這些噪聲源的影響。
• 雷擊或感性負(fù)載開關(guān)可能會(huì)導(dǎo)致 瞬態(tài)電壓 。這種瞬態(tài)會(huì)在電力線上產(chǎn)生高電壓，可能會(huì)損壞 PLC 調(diào)制解調(diào)器。

在應(yīng)對(duì) PLC 系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以采用兩種關(guān)鍵技術(shù)：PLC 變壓器和 GMOV 保護(hù)器。這兩個(gè)組件在確保 PLC 系統(tǒng)的可靠性、性能和安全性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

設(shè)計(jì)評(píng)審：耦合電路中的 PLC 變壓器和 GMOV

為了說明 PLC 變壓器和 GMOV 可以解決的問題，請(qǐng)參看圖 1 所示的耦合電路。該電路必須將 PLC 調(diào)制解調(diào)器 (Z 模塊 ) 與電力線 (Z 線 ) 隔離，同時(shí)為數(shù)據(jù)信號(hào)提供路徑。在此過程中，耦合電路必須同時(shí)處理高頻、低功率通信信號(hào)和低頻、高功率交流電。

圖 1：所示為帶浪涌保護(hù)功能的簡(jiǎn)化耦合電路，可將 PLC 調(diào)制解調(diào)器 (Z 模塊 ) 與電力線 (Z 線 ) 隔離，同時(shí)還能為數(shù)據(jù)信號(hào)提供路徑。（圖片來源：Bourns）

PLC 變壓器 (T1) 在 PLC 調(diào)制解調(diào)器和電力線之間提供電隔離，幫助將 PLC 與交流電網(wǎng)分開。這些變壓器有一個(gè)重要特征，就是插損極小，因此減少了信號(hào)失真和衰減。例如，圖 2 顯示了 Bourns 的 PFB 系列 PLC 變壓器的性能，適用于 500 kHz 以下的窄帶應(yīng)用。此外，PLC 變壓器抑制電磁干擾的能力也有助于降低噪音，從而提高通信的可靠性和效率。

圖 2：所示為專為 500 kHz 以下窄帶應(yīng)用定制的 PFB 系列 PLC 變壓器的插損與頻率關(guān)系圖。（圖片來源：Bourns）

在圖 1 中，瞬態(tài)電壓同樣由 GMOV 保護(hù)器處理（圖 3）。這種新型器件是一種混合過壓保護(hù)元件，集成了 MOV 的快速響應(yīng)和 GDT 的高浪涌電流處理能力。這種組合可提供強(qiáng)大的保護(hù)，防止雷擊或開關(guān)事件引起的瞬態(tài)電壓損壞 PLC 系統(tǒng)中的電子電路。

在 GMOV 中，MOV 和 GDT 元件采用串聯(lián)配置進(jìn)行容性耦合。在低頻條件下，GMOV 元件的電壓限制等于 MOV 和 GDT 元件的電壓限制之和。

圖 3：GMOV 結(jié)合了 MOV 的快速響應(yīng)和 GDT 的高浪涌電流處理能力。（圖片來源：Bourns）

與容易降級(jí)和熱擊穿的標(biāo)準(zhǔn)MOV 不同，GMOV 保護(hù)器的設(shè)計(jì)能夠承受惡劣和不受控的環(huán)境。 MOV 元件可將過高電壓鉗位到安全水平，而GDT 則可在極端浪涌條件下起到故障保護(hù)作用。這一功能可將過多的能量從MOV 上引開，從而延長(zhǎng)其使用壽命，降低系統(tǒng)故障的可能性。

PLC 變壓器和 GMOV 保護(hù)器的設(shè)計(jì)考慮因素

為 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)線路耦合電路需要仔細(xì)考慮關(guān)鍵元件及其相互作用。以下是設(shè)計(jì)中需要考慮的一些問題。

PLC 系統(tǒng)要求 ：在開始設(shè)計(jì)流程之前，要清楚地了解 PLC 系統(tǒng)的要求。這包括所需的數(shù)據(jù)傳輸速率、工作范圍、工作的電力線類型以及所處的環(huán)境條件。

安全與合規(guī) ：對(duì)于用戶或維護(hù)人員可能接觸到的設(shè)計(jì)部分，安全問題尤為重要。根據(jù)應(yīng)用的不同，設(shè)計(jì)可能需要符合 EN 62368-1（信息技術(shù)和視聽設(shè)備）或 EN 61885（通信網(wǎng)絡(luò)和電力設(shè)施自動(dòng)化）規(guī)范要求。

從通信角度來看，設(shè)計(jì)通常必須符合歐洲 CENELEC EN 50065-1 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大信號(hào)電平和允許的載波頻段。

選擇 PLC 變壓器 ：檢查變壓器是否符合工作頻率、電壓和阻抗要求。例如，前面提到的 Bourns PFB 系列針對(duì) NB PLC (NB-PLC) 應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，使其適用于遠(yuǎn)距離操作。PFB 系列支持低壓和中壓范圍，可用于室內(nèi)和室外環(huán)境。

請(qǐng)務(wù)必選擇匝數(shù)比能使 PLC 調(diào)制解調(diào)器阻抗與電力線阻抗相匹配的變壓器。很多時(shí)候，調(diào)制解調(diào)器的阻抗無法改變，因此必須仔細(xì)選擇變壓器，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，從而有效傳輸信號(hào)。

此外，還要考慮應(yīng)用環(huán)境。例如，PFB 系列有標(biāo)準(zhǔn)型和加長(zhǎng)型兩種。標(biāo)準(zhǔn)型 [PFBR45-ST13150S] 專為在安全外殼內(nèi)使用而設(shè)計(jì)，而加長(zhǎng)型 [PFB45-SP13150S]則增加了安全功能，可用于維護(hù)工人或用戶可能接觸到的區(qū)域。后一種型號(hào)的增強(qiáng)絕緣可防止電擊，并將最終用戶與危險(xiǎn)的輸入電壓隔離開來。圖 4 說明了這兩種模式的主要特點(diǎn)。

| | BOURNS 零件編號(hào) | 100 KHZ /1 V 時(shí)
初級(jí)側(cè)電感 | 100 KHZ / 1 V 時(shí)
漏電感
（全部次級(jí)側(cè)引腳均短接） | 匝比 | 最大 DCR | 50 KHZ 時(shí)繞組間電容 | 耐壓

圖 4：與 PFBR45-ST13150S 相比，加長(zhǎng)型 PFB45-SP13150S PLC 變壓器具有更強(qiáng)的安全功能。（圖片來源：Bourns）

選擇 GMOV 保護(hù)器 ：在選擇合適的保護(hù)器時(shí)，要考慮系統(tǒng)可能面臨的電涌和瞬態(tài)電壓類型。例如，Bourns 提供 14 毫米 (mm) 的 GMOV 保護(hù)器（如 [GMOV-14D301K]），可支持 6 千安 (kA) 的浪涌電流，以及 20 毫米 (mm) 的變型（如 [GMOV-20D151K]），可支持 10 千安的浪涌電流。值得注意的是，14 mm 和 20 mm 變型在尺寸和封裝上都與標(biāo)準(zhǔn) MOV 兼容。圖 5 提供了這些器件的完整可用配置列表。

| | Bourns 零件編號(hào) | 工作 | 保護(hù) |
| ----------------------------------- | ------------------------------- | -------------------- |
| 最大持續(xù)工作電壓 (MCOV) | MCOV 時(shí)的最大漏電流 | 最大電容 | I名義
UL 1449/第 4 版 | I最大限度 |環(huán)波浪涌
IEEE 62.41 |保護(hù)級(jí)別/ 電流等級(jí)
IEC 61051-1 | 鉗位渡越時(shí)間 | 能量 |
| V有效值 | V直流 | A有效值 | 1 MHz | 15 工作 | 1 工作 | 200 A | 最大 | 類型 | 8/20 μs |
| V | V | μA | pF | A | A | 工作 | VFP | VC | μ s | J |
| GMOV-14D450K | 45 | 45 56 | 56 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 900 | 900 150 | 150 0.3 | 0.3 24 |
| GMOV-14D500K | 50 | 50 65 | 65 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 800 | 150 | 150 0.3 | 0.3 27 | 27
| GMOV-14D650K | 65 | 65 85 | 85 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 800 | 185 | 185 0.3 | 0.3 33 | 33
| GMOV-14D950K | 95 | 95 125 | 125 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 800 | 270 | 270 0.3 | 0.3 53 | 53
| GMOV-14D111K | 115 | 115 150 | 150 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 800 | 320 | 320 0.3 | 0.3 60|
| GMOV-14D131K | 130 | 130 170 | 170 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 800 | 360 | 360 0.3 | 0.3 70 | 70
| GMOV-14D141K | 140 | 140 180 | 180 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 950 | 950 380 | 380 0.3 | 0.3 78 | 78
| GMOV-14D151 | 150 | 150 200 | 200 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 950 | 950 420 | 420 0.3 | 0.3 84 | 84
| GMOV-14D171K | 175 | 175 225 | 225 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 950 | 950 470 | 470 0.3 | 0.3 99 | 99
| GMOV-14D231K | 230 | 230 300 | 300 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 620 | 620 0.3 | 0.3 130 | 130
| GMOV-14D251K | 250 | 250 320 | 320 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 675 | 675 0.3 | 0.3 140 | 140
| GMOV-14D271K | 275 | 275 350 | 350 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 730 | 730 0.3 | 0.3 155 | 155
| GMOV-14D301K | 300 | 300 385 | 385 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 800 | 0.3 | 0.3 175 | 175
| GMOV-14D321K | 320 | 320 145 | 145 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 875 | 875 0.3 | 0.3 180 | 180
| |
| GMOV-20D450K | 45 | 45 56 | 56 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 950 | 950 150 | 150 0.3 | 0.3 49 | 49
| GMOV-20D500K | 50 | 50 65 | 65 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 900 | 900 150 | 150 0.3 | 0.3 56 | 56
| GMOV-20D650K | 65 | 65 85 | 85 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 900 | 900 185 | 185 0.3 | 0.3 70 | 70
| GMOV-20D950K | 95 | 95 125 | 125 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 900 | 900 270 | 270 0.3 | 0.3 106 | 106
| GMOV-20D111K | 115 | 115 150 | 150 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 950 | 950 320 | 320 0.3 | 0.3 130 | 130
| GMOV-20D131K | 130 | 130 170 | 170 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 950 | 950 360 | 360 0.3 | 0.3 140 | 140
| GMOV-20D141K | 140 | 140 180 | 180 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 950 | 950 380 | 380 0.3 | 0.3 155 | 155
| GMOV-20D151K | 150 | 150 200 | 200 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 950 | 950 420 | 420 0.3 | 0.3 168 | 168
| GMOV-20D171K | 175 | 175 225 | 225 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 950 | 950 470 | 470 0.3 | 0.3 190 | 190
| GMOV-20D231K | 230 | 230 300 | 300 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 620 | 620 0.3 | 0.3 255 | 255
| GMOV-20D251K | 250 | 250 320 | 320 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 675 | 675 0.3 | 0.3 275 | 275
| GMOV-20D271K | 275 | 275 350 | 350 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 730 | 730 0.3 | 0.3 305 | 305
| GMOV-20D301K | 300 | 300 385 | 385 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 800 | 0.3 | 0.3 |
| GMOV-20D321K | 320 | 320 415 | 415 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 875 | 875 0.3 | 0.3 360 | 360

圖 5：GMOV 保護(hù)器有 14 mm 和 20 mm 兩種型號(hào)，后者可支持更大的浪涌電流。（圖片來源：Bourns）

同樣重要的是，要注意電容和漏電流。高電容會(huì)阻礙 PLC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。Bourns GMOV 保護(hù)器的電容小于 2 皮法 (pF)，可將信號(hào)失真降至最低，這意味著它不會(huì)對(duì)電力線上的數(shù)據(jù)傳輸造成明顯影響。

Bourns GMOV 保護(hù)器的漏電流也小于 1 微安 (μA)。雖然泄漏看似小事一樁，但在城市規(guī)模的應(yīng)用中，泄漏加起來就不容小覷了。例如，在路燈應(yīng)用中，漏電流為 10 微安，乘以典型城市地區(qū)的一百萬盞路燈，泄漏造成的能量損失就非?？捎^。

結(jié)語

隨著以智能電網(wǎng)、智能電表和智能路燈為特征的智能能源基礎(chǔ)設(shè)施的出現(xiàn)，可靠、經(jīng)濟(jì)、高效的通信系統(tǒng)成為人們關(guān)注的需求焦點(diǎn)。綜上所述，PLC 就是一個(gè)合適的選擇，特別是在有專門的 PLC 變壓器和 GMOV 保護(hù)器的支持下，可確保信號(hào)質(zhì)量和可靠性，防止瞬變或浪涌，同時(shí)最大限度地減少漏電流。