復合耦合技術在低壓電力線載波通信接口電路設計中的應用

摘要: 采用“電磁耦合”與“阻容耦合”相結合的“復合耦合技術”，建立了接口電路模型。分析并設計了基于ST7538 的低壓電力線載波通信的接口電路，對接口電路進行仿真試驗及結果分析。最后，對接口電路的主要性能:載波信號加載效率、幅頻特性、通頻帶、隔離電力網220 V/50 Hz 的工頻信號能力進行分析。

　　0 引言

　　電力線通信( Power Line Communication，PLC
PLC

　　PLC是一種專門在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應按照易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。 [全文]

)是以電力網作為信道，進行載波通信的一種有線通信方式。PLC 在歐洲( 德國、英國、瑞典等)發展得較快，最近，英國在電力線媒介開發方面取得了突破性進展，用戶可通過電力線進入Internet網，從簡單的數據傳輸提高到了網絡聯接。

　　中國電力系統也已組建國電通信中心，并向信息產業部正式申請了牌照。國家電力公司計劃在2015 年建成全國統一的聯合電力網通信系統。

　　但是，低壓電力線是一種通信環境非常惡劣的信道，許多問題有待進一步研究。低壓電力線傳送著220 V/50 Hz 的電能，在低壓電力線上并接了許多不同阻抗的用電器。低壓電力線的這一固有特點，給低壓電力線通信帶來了很大的困難。因此，低壓電力線通信必須首先解決以下2 個難題:

　　(1) 電力網50 Hz 的工頻信號不能給載波通信系統帶來太大的干擾，同時，考慮到整個通信系統的安全，必須進行強電隔離;(2) 低壓電力線上并接的所有用電器的“統計載波阻抗”要高，以確保較高的載波信號加載效率。

　　上述問題，正是低壓電力線通信的接口技術問題，以下從這兩方面介紹其設計原理和實現方法。

　　1 接口電路的模型

　　根據低壓電力線通信接口技術的要求:① 必須進行強電隔離;② 確保較高的載波信號加載效率。為此，就必須采用“電磁耦合”與“阻容耦合”相結合的“復合耦合技術”。接口電路模型如圖1所示。

圖1 接口電路模型。

　　該電路的關鍵物理量是2 個回路中的電流i1(t)和i2(t)。由基爾霍夫第二定律可得出該電路的數學模型:

　　式中，設i′ 、i″分別為i 的一、二階導數，則：

　　對于式(1)，通過不同的處理將得到不同的數學模型。對圖1 所示的雙RLC 耦合回路進行去耦處理，得到2 個獨立的RLC 串聯回路。對式(1)求導，則可得到二元二階方程組：

　　式(2)同時含有2 個未知函數i1( t) 和i2( t)的二階導數，不便直接求解。