DC 應用的電力線通信實施

　　引言

　　電力線通信(PLC)是一種通過現有電力線纜發送數據的通信技術。該技術可采用半雙工方式在PLC節點之間傳輸電力與數據。由于能通過相同線路同時傳輸電力及數據，因此PLC技術無需使用額外線路與設備互聯。PLC可為各種廣泛應用提供低成本通信媒介，充分滿足可能采用其它技術組網成本過高的環境需求。作為通信技術，PLC可分為兩大類：

　　●寬帶PLC適合互聯網等高速寬帶網絡連接。它一般工作在較高頻率(1.8至250MHz)

　　和高數據速率(高達數百Mbps)下，多為較短距離應用使用。

　　●窄帶PLC適用于需要窄帶控制或低帶寬數據采集的應用，這些應用注重低成本和高可靠性。它一般工作在較低頻率(3到500KHz)和較低數據速率(幾百kbps)下，具有較大的覆蓋范圍(達數公里)，該覆蓋范圍可通過中繼器擴大。

　　根據底層電力線特征，PLC還可進一步細分為AC電力線PLC和DC電力線PLC.

　　世界各地許多公共事業單位都選擇AC線路窄帶PLC用于其智能電網項目。他們通過按日、甚至按設備或應用監控用電情況，提供能夠激勵消費者調整用電的定價結構，從而可減輕峰值負荷，避免興建新的電廠。

　　PLC在智能電網應用中的廣泛采用已引起對AC電力線PLC的高度重視。不過在家庭網絡、照明和太陽能應用以及交通運輸車輛(飛機、汽車和列車中的電子控制)中，DC電力線窄帶PLC也在興起。在這些應用中使用PLC，可降低布線復雜性、重量以及通信的最終成本。

　　在本文中，我們將重點介紹DC電力線PLC的使用，并提供可幫助客戶迅速有效采用這一技術的參考設計。

　　系統集成人員常提出這樣的問題：如何比較DC電力線PLC和低功耗無線技術的優劣?雖然DC線路PLC和低功耗無線都不需要新電線布置，但使用PLC時，連接或位于地下，或穿越墻壁，或處于墻角。該通信通道歸運營商或公共事業單位所有，因此不存在共享帶寬風險。PLC沒有視線限制，不受天氣影響。

　　DC PLC解決方案的高靈活性

　　開發一款有效PLC解決方案有其難度。一般電力線噪聲大，需要穩健的系統架構才能確保數據可靠性。每個最終應用及工作環境都不同，因此需要靈活的設計來適應各種不同的條件。系統設計人員需要一款高靈活平臺，其不僅可幫助他們根據每種應用的具體要求優化設計，而且還能讓設計適應未來出現的新標準和新市場機遇。通過這種方式，可以在多種應用中重復使用知識產權，加速開發及產品上市進程，并不斷擴大市場機遇。

　　實現高靈活性的關鍵點是軟硬件的模塊化架構。將復雜的PLC系統拆分為多個獨立子系統，開發人員可在無需全部重新設計整個系統的情況下修改設計的某個方面(比如所使用的調制方案或網絡協議)。各種可實現應用的部分實例包括：

　　●調制方案：軟硬件層面的高靈活性有助于開發人員為具體應用實施最高效率的調制方案。例如針對窄帶通信提供的幾個調制方案，包括展頻移鍵(S-FSK)與正交頻分多路復用(OFDM)調制等;

　　●通信協議：為實現互操作性，設備可能需要符合具體協議標準。開發人員通過使用高靈活平臺，既可輕松實施常用的PLC標準(包括S-FSK (IEC61334)、PRIME和G3)，也可實施能滿足其應用特定需求的定制協議。

　　圖1：PLC通信協議的比較

　　現有標準對窄帶DC PLC應用規定很少，而且在許多應用中網絡處于獨立狀態。在這些情況下，可以使用較為簡單的通信協議棧。這類較簡單專有協議棧的一個具體實例是德州儀器(TI)的PLC-Lite(圖1)。該協議棧特別適合不需要G3及PRIME復雜性、但仍然需要穩健通信通道的低成本環境及應用。

　　對于樓宇網絡(只需幾Kbps)中的簡易燈泡或墻壁開關而言，PLC-Lite是理想的解決方案。PLC-Lite不僅提供21Kbps的最大數據速率，而且還支持全頻帶和半頻帶模式。它可針對某種類型的干擾提供更高的穩健性，其中包括可影響G3鏈路的窄帶干擾。PLC-Lite包含簡單的載波感測多路訪問與沖突避免(CSMA/CA)介質訪問控制(MAC)層，其能夠與任何應用協議棧集成。

　　由于結構簡單，數據速率較低，因此PLC-Lite每鏈路的實施成本明顯較低。此外，它還可帶來極高的靈活性，允許設計人員在行業標準限制以外定制通道鏈路。圖2是PLC-Lite完整特性集的總括。

　　圖2：TI PLC-Lite的特性

　　電力線接口挑戰

　　對于DC PLC實施而言，在系統中連接電力線會帶來另一重需要解決的挑戰。部分特定問題方面包括：

　　●多重節點支持的阻抗控制;

　　●任何電源開關的PLC濾波;

　　●實現可靠AC耦合所需的電力線耦合保護電路。

　　(1)多節點支持

　　大多數DC PLC實施需要支持通過單根電力線總線連接的大量節點(幾十個到幾百個)，以帶來實用性。要讓傳輸信號在沒有明顯衰減的情況下達到所有節點，主要要求體現為我們熟悉的等式：

　　源阻抗 << 負載阻抗(等式 1)

　　我們會在參考設計中說明如何達到這一點。對于以下分析，假設 PLC-Lite 的調制頻率大約為 40KHz。我們隨后可計算 PLC 節點的源阻抗(等式 2)。

　　(等式 2)

　　其中：

　　c = C6 = 22 μF(圖 3)

　　圖 3：輸入耦合級電路

　　假設給定接收器節點的負載阻抗和在發送器節點上看到的一樣，大約為 30Ohm。在新增多個節點時，由于負載是阻抗的并聯組合，因此可降低該負載阻抗。例如，如果系統中有九個節點，就可計算通過一個發送器節點可以看到的總體負載阻抗，如等式 2 所示。

　　下面以兩種情況為例。一種情況是：一個發送器(主)節點和四個接收器(從)節點。另一種情況是：一個主節點和九個從節點。根據等式 2 的計算，源阻抗要求會隨從節點數量的變化而變化。

　　● 9 個(接收器)+ 1 個(發送器)= 10 個 PLC 節點，負載阻抗 = 30/10 = 3 Ohms;

　　● 4 個(接收器)+ 1 個(發送器)= 5 個 PLC 節點，負載阻抗 = 30/5 = 6 Ohms

　　圖 4：一個發送器、沒有接收器的測試結果

　　圖 5：1 個發送器和 4 個接收器的測試結果

　　如圖 4、圖 5 所示，隨著從節點的增多，調制信號的幅度有明顯變化。在前面的設置中，DC 線路是以探針方式與示波器連接的(AC 耦合)。按下 PLC 節點上的一個外部開關，即可觸發示波器，隨后生成一個 PLC 通信猝發。

　　(2)任何電源開關的PLC濾波

　　DC PLC設計過程中的另一個挑戰是PLC節點必須使用DC電源才能生成本地電壓(15V、3.3V)并調制相同的DC電源。如果不采用適當的濾波技術，在這種情況下DC/DC開關電源就會對PLC調制造成干擾。

　　圖6：電源濾波電路

　　如圖6所示，低通濾波器可將PLC調制信號從開關穩壓器中分開。低通濾波器的Fc可根據PLC調制占用的頻帶進行計算。由于PLC Lite占用42KHz到90KHz，因此在L=360μH(180μH + 180μH)和C=1μF時，該低通濾波器的Fc就為：

　　(3)可靠AC耦合的電力線耦合保護電路

　　APLC模擬前端(AFE)會受DC電源浪涌的影響。因此必須設計AC耦合級，PLC節點才能在惡劣環境中可靠工作。

　　圖7：第一級AC耦合

　　圖8：第二級AC耦合

　　為確保整體系統可靠性，DC線路不直接AC耦合至AFE器件。該線路會經過兩級AC耦合流程(圖7、圖8)。在第一級中，DC線路先AC耦合至一個有TVS保護的中間級，這樣可針對43.5A的浪涌峰值電流將電壓浪涌限制在9.2V.在該級中共模偏向接地。在第二級AC耦合中，數據在7.5V DC偏置電壓下AC耦合至AFE器件。

　　參考設計

　　DC(額定24V)電力線通信(PLC)參考設計旨在作為評估板幫助用戶為工業應用開發最終產品，充分利用該功能在同一DC電力線上實現電力傳輸與通信。該參考設計能夠以極小(大約1英寸的直徑)的工業尺寸為主從節點的硬件及固件設計提供完整的設計指南。設計文件包括原理圖、材料清單、布局圖、Altium文件、光繪文件、帶應用層的完整軟件套件以及簡單易用的圖形用戶界面(GUI)。

　　應用層不僅支持從節點，而且還支持主機處理器(比如PC或Sitara ARM MPU)的通信(圖9)。主機處理器只通過USB-UART接口與主節點通信。主節點隨后通過PLC與從節點通信。評估板(EVM)也提供簡單易用的GUI(圖10)，其不僅通過主機處理器運行，而且還提供地址管理以及從節點狀態監控及用戶控制功能。

　　參考設計針對每個從節點的源阻抗進行了優化，我們可將多個從設備連接至主設備。模擬前端(AFE)已經添加了保護電路，能夠可靠AC耦合至24V線路。該參考設計的布局根據AFE031大電流線跡的布局要求進行了優化。

　　圖9：參考設計的系統方框圖

　　圖10：GUI工具截圖

　　結論

　　在本文中，我們回顧了窄帶DC電力線PLC是各種工業應用聯網的有效工具的原因所在。該方案可充分發揮AC電力線應用的PLC在現有智能電網部署中的成功使用優勢。支持PLC的各種工作條件都需要高靈活軟硬件解決方案。此外，DC電力線的連接也需要精心的設計考量，以確保系統能夠穩健地擴展至多個網絡節點。

　　為解決設計挑戰，幫助系統設計人員將DC電力線PLC成功運用于自己的應用，TI推出了一款基于TI模擬前端AFE031及C2000微控制器[2]的DC PLC參考設計[1].該參考設計配套提供完整系列的硬件設計文件、MCU固件、基于GUI的應用軟件以及極為詳盡的實驗室測試結果文檔。設計人員可輕松評估該平臺，有效構建自己的最終應用。