消費(fèi)總線電力線接口電路的設(shè)計 - 全文

智能家庭要求家用電器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(總線)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互操,總線協(xié)議是其精髓所在。目前,國際上占主導(dǎo)地位的家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)有:美國的X10[1]、消費(fèi)總線(CEBus)[2]、日本的家庭總線(HOME BUS)[3]、歐洲的安裝總線(EIB)[4]。

　　消費(fèi)總線使用五種類型的介質(zhì)(電力線、無線、紅外、雙絞線和同軸電纜),其中以電力線的應(yīng)用最為廣泛。消費(fèi)總線得到IBM、Hownywell、Microsoft、Intellon、Lucent、Philips、Siements等大公司的支持,1992年成為美國電子工業(yè)協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn)(EIA600、EIA721)。1997年,EIA600成為美國ANSI標(biāo)準(zhǔn);2000年6月,微軟和CEBus委員會共同宣布支持CEBus的簡單控制協(xié)議SCP。SCP是未來微軟UPNP協(xié)議的子集。

1 CEBus電力線物理層

　　鑒于家庭中電力線載波通訊的特殊性,CEBus采用價格低廉、簡單易行的線性調(diào)頻(chirp)擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。摒棄了傳統(tǒng)電力線載波通常應(yīng)用的直接序列擴(kuò)頻、調(diào)頻擴(kuò)頻、跳時擴(kuò)頻等設(shè)備復(fù)雜、價格昂貴的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。

　　消費(fèi)總線的物理層有四種碼,分別是:“0”、“1”、“EOF”和“EOP”。均為掃頻信號,正弦信號載波,從203kHz經(jīng)過19個周期線性地變?yōu)?00kHz,再經(jīng)過1個周期變?yōu)?00kHz,然后在5個周期中變?yōu)?03kHz,整個過程用時100μs,也就是1個UST(Unit symble time,在消費(fèi)總線中用多少個UST來度量時間)。其波形如圖1所示。

　　chirps掃頻載波需經(jīng)過放大耦合到電力線上,放大后的幅度應(yīng)適中。幅度太低,給接收電路帶來困難;幅度太大,又會對電力線上的設(shè)備產(chǎn)生干擾。CEBus的規(guī)定如表1[5]所示。

　　同時也規(guī)定了電器設(shè)備對信號的阻抗。如果阻抗很小,就會將信號吸收從而無法傳送。規(guī)定如表2[5]所示。

　　線性調(diào)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶低功率密度傳輸,從而大大提高抗干擾性能和傳輸距離。同時,chirps具有很強(qiáng)的自相關(guān)性和自同步性。這種自相關(guān)性決定了所有連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以同時識別從網(wǎng)上任意設(shè)備發(fā)出的這種特殊波形。

2 通訊模塊的設(shè)計

　　根據(jù)P89C51RD2和P300的芯片手冊[6][7],設(shè)計的通用通訊模塊的原理圖如圖2所示。P89C51RD2和P300之間采用SPI接口通訊,用模擬的I2C總線和串行EEPROM通訊。這樣,中斷口、串口和有足夠的I/O口可以用于實(shí)際設(shè)備的設(shè)計。

3 通訊模塊電力線接口電路的設(shè)計

　　從P300輸出的信號幅度小、驅(qū)動能力弱而且還有高次諧波,因此必須經(jīng)過濾波和放大,然后才能通過耦合電路將信號調(diào)制到電力線上。耦合電路將高壓和低壓隔離開,防止高壓擊穿通訊電路。另一方面,從電力線來的載波信號又要由P300接收,而電力線上的干擾很大也很不確定,所以需要一個帶通濾波器,通過100kHz～400kHz之間的信號,再送到P300的接收端。電路的方框圖如圖3所示。

　　其中左邊的3根線來自P300,TS是數(shù)字信號,控制收發(fā)轉(zhuǎn)換。實(shí)際上P300的收發(fā)類似半雙工方式,因?yàn)楫?dāng)它在“發(fā)送”劣態(tài)的時候,實(shí)際上并沒有輸出信號。因此,這個時候它可以處于接收狀態(tài),如果接收到了優(yōu)態(tài),就表示發(fā)生了競爭。

3.1 濾波電路

　　輸入濾波器電路如圖4所示。

　　這個濾波器有6階,對高頻干擾有很好的抑制,圖5是它的頻率響應(yīng)曲線。在高頻段400kHz處衰減為3dB,高于400kHz的平均衰減為128dB/dec,可以有效地過濾干擾信號。

　　P300輸出的信號包含豐富的高次諧波,為了減小對電網(wǎng)的干擾,先經(jīng)過帶通濾波器再進(jìn)行放大。濾波器也采用無源電路,原理與上面類似,這里不再贅述。

3.2 放大電路

　　P300的輸出信號經(jīng)過濾波之后,其內(nèi)阻很大,沒有驅(qū)動能力,而且電壓幅度不符合消費(fèi)總線的要求,必須放大后才能夠驅(qū)動電力線。放大電路不僅要有強(qiáng)有力的輸出能力,還需有禁止輸出功能,這樣才能使P300接收其它節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號。

　　電網(wǎng)的性能不確定,有時是容性負(fù)載,有時是感性負(fù)載。這樣就給末級電路采用反饋帶來很大困難。因?yàn)楫?dāng)負(fù)載的阻抗特性變化時,輸出的信號相位會發(fā)生變化,最終有可能是負(fù)反饋?zhàn)兂闪苏答?從而引起振蕩。

設(shè)計的電力載波放大電路如圖6所示,虛線的左邊是原理圖,右邊是實(shí)現(xiàn)電路圖。可以看出,這個電路有兩個輸入,一個輸出。輸入信號來自P300的電力載波,輸出使能控制放大器運(yùn)行。圖6的左半部分,T1和T2接成互補(bǔ)式OTL輸出,它們的偏置電壓來自電阻R1、R2的分壓。來自P300的信號經(jīng)過運(yùn)放U1放大達(dá)到期望的幅度,然后通過電容耦合到T1和T2的基極。如果開關(guān)S1和S2合上,則T1和T2正常輸出信號,P300可以發(fā)送數(shù)據(jù);如果S1和S2都斷開,那么T1和T2的基極都處于懸空狀態(tài),輸出端也成為懸浮狀態(tài),從而不會吸收由電力線傳來的信號,P300可以接收信號。

　　在圖6的右邊,開關(guān)S1和S2也被T7和T8取代,T1和T2被復(fù)合管取代,其中的電阻R11用來消除三極管漏電電流的影響。采用復(fù)合管是為提高放大倍數(shù),這樣可以盡量減小級間耦合,即使輸出信號發(fā)生了畸變,也不會影響到前級而發(fā)生振蕩。實(shí)踐證明這種做法是很可行的。其對容性負(fù)載、感性負(fù)載以及純電阻的負(fù)載都有較穩(wěn)定的輸出,輸出阻抗小于2Ω。

3.3 耦合電路及其保護(hù)措施

　　圖7中J1接到電力線,R1是壓敏電阻,它可以使尖峰脈沖短路,變壓器T1實(shí)現(xiàn)了高壓與低壓的隔離。因?yàn)檩d波的頻率比較高(100kHz～400kHz),遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)的頻率,這樣就使載波信號暢通無阻,而能夠隔斷高壓。電容C1阻斷低頻高壓,防止變壓器飽和;電阻R2取值比較大,作用是在離線時使電容放電,防止在設(shè)備插頭的兩端出現(xiàn)高壓。Z1是瞬變抑制二極管(Transient Voltage Suppressor,或稱TVS),它可以有效地避免后面電路被高壓擊穿。L1、D1、D2也是為防止高壓擊穿放大電路而設(shè)計的。電力線上的設(shè)備接入或者是斷開,都有可能引起尖峰脈沖,并導(dǎo)致收發(fā)電路的永久損壞。所以高壓保護(hù)措施是至關(guān)重要的。

　　除了電力線上會產(chǎn)生高壓脈沖破壞器件以外,當(dāng)設(shè)備剛剛接上電源時(參看圖7),如果電力線剛好處于電壓的最大值,而此時電容上的電壓為0,會有300V(220V有效值,最大值311V)的高壓直接加在變壓器兩端,引起很大的電流,從而在次級產(chǎn)生尖峰脈沖。這個脈沖的電流相當(dāng)大,可達(dá)幾十安培到上百安培,采用一般的穩(wěn)壓管根本沒有辦法消除這個脈沖。筆者曾經(jīng)嘗試過采用壓敏電阻吸收這個脈沖,但壓敏電阻的響應(yīng)比較緩慢,在出現(xiàn)脈沖的一微秒之內(nèi)仍然有幾十伏的電源,足以燒壞放大電路。實(shí)踐表明,這種剛剛接入電路時的瞬態(tài)脈沖所產(chǎn)生的破壞力相當(dāng)大。幸運(yùn)的是,它的電流雖然很大,但是能量卻不是那么大。筆者采用的瞬變抑制二極管1.5KE6.8CA響應(yīng)時間是5ns,能夠吸收200A電流,瞬態(tài)功率可達(dá)1500W?？梢院唵蔚匕阉醋魇且粋€具有強(qiáng)大吸收電流能力的穩(wěn)壓二極管,但它的動態(tài)電阻比較大,所以還需要D1和D2這兩個肖特基二極管進(jìn)一步把電壓鉗位在電源電壓左右,電感L1的作用是阻斷特別窄的高壓脈沖。經(jīng)過這些保護(hù)措施,后面電路沒有出現(xiàn)過任何故障。

　　在設(shè)計電路板時,應(yīng)該充分考慮到電路板敷銅皮的阻抗影響,例如在圖8的電路板布局中,Z1是瞬變抑制器件,元件的引線和銅皮都會引入電感,從而削弱吸收效果。

STM32/STM8

意法半導(dǎo)體/ST/STM