[分享] 电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述

作者：罗嘉林  实习工程师， 庞家华  华南区工程师  email: pangjiahua@ti.com

        AFE031是一款应用于电力线通信的模拟前端器件，可以作为电力线通信系统的收发器。本文将从AFE031应用背景、基本框架及系统设计三个方面进行介绍。

一． 应用背景

        电力线通信（Power Line Communication, PLC）是一种利用电力线进行数据信息传输的通信技术，其基本系统框图如图1所示。数字信号经调制后以载波形式发送，再经PLC收发器进行调理后，加载到电力线上进行传输，而接收则是一个反向过程。SunSpec快速关断协议是专门针对光伏系统快速关断功能制定的PLC协议。SunSpec规定，调制方法采用B-FSK（二进制频移键控），B-FSK调制原理如图2所示，SunSpec指定的两种载波频率分别为f_m=131.25kHz，f_s=143.75kHz，处于窄带通信的CENELEC B/C/D频段中。另外，SunSpec指定发送的两类有效指令包括了关断指令及正常工作指令，一个指令的完整发送周期为1070.08ms。详细的FSK原理介绍及SunSpec通信参数规定请看TIDA-060001。

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图1.  PLC系统框图

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图2.  FSK调制原理

 

        PLC的收发器由模拟前端器件构成，该环节对MCU发送的数字信号或从电力线接收到的载波信号进行调理，从而保证信号能准确、有效、可靠地在电力线上进行传输。而AFE031正是一款优质的PLC模拟前端器件，可用于构建支持SunSpec等协议的PLC系统，其与MCU的接口也如图1所示。

 

二． AFE031基本概述

        AFE031内部高度集成，图3是AFE031的功能框图，其中，红圈标示了PLC的Tx模块，蓝圈标示了PLC的Rx模块，另外，紫圈标示了其他辅助功能模块，内部资源丰富。

        Tx模块负责对发送路径信号进行处理，其包含数模转换器DAC、增益可调放大器Tx_PGA、带宽可调低通滤波器Tx_Filter以及功率放大器PA。在Tx模块内，待发送信号被放大和滤波后送入功率放大器PA，PA以6.5V/V的固定增益进一步将信号放大后输出，驱动负载。

        Rx模块负责对接收路径信号进行处理，接收路径上的环节依次是增益可调放大器Rx_PGA₁、带宽可调低通滤波器Rx_Filter 、可调增益放大器Rx_PGA₂。接收信号经过放大、滤波处理后送入MCU的ADC以还原数字信号。

        MCU经SPI接口可对AFE031寄存器进行配置从而改变Tx模块及Rx模块的放大器及滤波器参数，针对SunSpec应用，Tx和Rx的滤波器可设置为CENELEC B/C/D档，对应截止频率为145kHz。更多MCU与AFE031接口方式及调参方法请浏览SBOA130A及TIDA-060001。

        AFE031的优势可以总结如下：支持包括SunSpec在内的多种协议；供电PA_V_s范围大，为7-24V；输出电流可达1.5A；接收灵敏性好，可检测到低至20 μV_RMS信号；高度集成，资源丰富；配置灵活。

        以上对AFE031基本框架、主要模块功能作用以及优势做了一个基本的介绍，关于各模块参数值、工作原理、寄存器配置的详细介绍请参考AFE031数据手册。

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图3.  AFE031功能框图

 

       

三． 基于AFE031的SunSpec PLC系统设计要点

        构建基于AFE031的SunSpec PLC系统有几个部分要重点考虑： Tx路径、Rx路径、电力线耦合电路、保护电路，下面将分别对这几个部分的外围电路设计要点进行介绍。

（1）Tx路径

        AFE031支持两种Tx模式，分别是DAC模式和PWM模式，两者的连接方式及外围电路设计都有所差异，如图4(a)和图4(b)所示。

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图4.  Tx路径. (a) DAC 模式，(b)PWM模式

 

        两种模式都需设置PA输入端交流耦合电容C_IN以及PA限流值设置电阻R_SET。而C_IN作为高通滤波器，其取值决定于用户需要的截止频率f_HP。SunSpec的较低频率f_m=131.25kHz，为预留一定裕量，应设置f_HP应小于f_m，C_IN的计算公式为：

                                                                                                                             (1)

        而R_SET串接于PA_ISET引脚，R_SET与限流值I_LIM的关系式为：

                                                                                                             (2)

        两种模式的区别在于，DAC模式下，MCU会通过快速中断给AFE031发送正弦波离散值，虽然该过程会占用较多CPU资源，但传送信号经DAC转换后，谐波含量很小，无需设置太多外围滤波器；而PWM模式下，MCU直接通过外设ePWM给AFE031发送PWM波，这种模式下，MCU的配置很简单，但信号的谐波含量较大，需要设置外围滤波器，如图4(b)所示的RC低通滤波器F_d1和F_d2，可加强滤除PWM波的高次谐波。RC低通滤波器推荐使用电阻R_d为510Ω，截止频率为f_L，f_L应大于待传送信号频率。而SunSpec协议的最大载波频率为f_s=143.75kHz，所以f_L应大于f_s，对应的C_d1和C_d2的设置可参考以下公式：

                                                                                                                                 (3)

 

（2）Rx路径

        Rx路径如图5所示，Rx路径上，接收信号先后经过外围带通滤波器F1及AFE031内部Rx模块。

        由于电力线工作环境复杂， AFE031接收到的信号可能含有各种干扰，因此，有必要为Rx路径设置一个外围的带通滤波器F1，F1是四阶带通滤波器，其设计可遵循以下原则：首先选定滤波器特征阻抗Z_c，该值与传输线阻抗匹配，对于PLC应用，可设定为1kΩ；然后确定电阻大小，两电阻R₁、R₂起到分压作用，当选择R₁=R₂=Z_c，信号有-6dB的衰减，若选择R₁=Z_c，R₂=10Z_c，则信号有接近0dB的增益；最后可按照以下公式确定剩下的LC参数：

                                                                  (4)

其中f₁是带通滤波器的低频截止频率，f₂是带通滤波器的高频截止频率，针对SunSpec的应用，f₁应小于f_m，f₂应大于f_s。比如可选择C₁=1.7nF，C₂=1nF，L₁=1.2mH，L₂=1.5mH。

        此外应注意的是，Rx_Filter是一个单位增益四阶低通滤波器，需要依靠两个外部辅助电容来正确配置滤波器，对于SunSpec所处的CENELEC B/C/D频段，两电容设置分别是C_R1=270pF，C_R2=560pF。

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图5.  Rx路径

 

（3）电力线耦合电路

        电力线耦合电路用于连接AFE031与电力线，使得信号能在两者之间交互。交流电力线与直流电力线的耦合电路会有所区别，需分别介绍。

a. 交流应用

        对于交流应用，电力线耦合电路如图6所示，包含低压侧电容C_LV、变压器T、高压侧电容C_HV，以及高压侧电感L_HV。其中C_LV的作用主要是隔绝低压侧偏置直流电压，该电容应对高频信号呈现低阻抗，常用10μF电容，其耐压值应大于稍后介绍的TVS钳位电压值。而C_HV与变压器T绕组电感构成分压器，C_HV承受低频交流大电压V_AC，而高频信号经变压器耦合到低压侧。C_HV的大小要根据无功功率限值VA_limit来设定：

                                                                查看详情                                                                 (8)

其中f_P为工频，C_HV的耐压值应高于电力线电压。但根据VA_limit设置的C_HV可能带来较大的阻抗，从而导致驱动负载的能力不足，所以需要辅以L_HV维持电力线路低阻抗，对于SunSpec，可以认为两载波频率f_m和f_s的中心频率为f_b=137.5kHz，从而可以确定L_HV的取值：

                                                                                                                               (9)

        至于变压器T的匝数比取值，可以根据负载获得PA最大输出功率的需求进行匹配。假设V_{PA_out_peak}和I_{PA_out_peak}分别是PA输出最大电压和电流，高压侧等效负载为R_load，变比可参考下式：

                                                                                                                (10)

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图6.  交流耦合电路

 

b. 直流应用

        在低压直流应用中，可以不需要变压器，仅以电容C_DC耦合电力线与模拟前端电路，如图7所示，直流母线电压为TPS43060生成的24V，而耦合电容C_DC常取为10uF，其额定电压需大于直流母线电压。另外，由于直流线路为低阻抗线路，且TPS43060输出端对于高频信号也呈低阻抗，PA输出信号可能会从直流线路进入直流电源然后被拉低，从而极大影响PA输出摆幅，因此需要在电源侧串联电感L_DC以提高电源输出阻抗，如图中的680uH，对SunSpec中心频率的阻抗达到587Ω。需注意的是，此处为低压直流场合，基于电容耦合，电力线侧的地可与AFE031的地相接。

        若应用于高压直流场合，应避免两地直接相连，须重新采用变压器进行隔离耦合，可参考图8所示的EVM板Boost-AFE031框图。

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图7.  低压直流耦合电路

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图8.  通用直流耦合电路

（4）保护电路

        下面以直流应用的保护电路为例进行说明。直流应用的保护电路如图9所示。其中TVS管是瞬态二极管，防止瞬间大电压损坏AFE031，TVS的钳位电压应稍大于PA_V_s/2，要在确保不误触发的前提下提高保护的可靠性。肖特基二极管D₁-D₂的作用是抑制持续过电压对AFE01的影响。而由于D₁-D₂具有结电容，结电容的不平衡将导致直流偏压不能维持在PA_V_s/2，分压器R_b1-R_b2的作用正是要改善这种情况，使PA输出有正确的直流偏置。稳压管Z的作用是稳定AFE031的PA供电电压PA_V_s。L_o-C_o-R_o组合作为一个额外的噪声或振铃吸收器，选取的经验值为R_o=4.7Ω，C_o=1nF，L_o=1mH。

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图9.  保护电路

 

四． 测试结果及总结

        基于AFE031构建SunSpec PLC系统进行测试验证，图10和图11分别是指令传输波形以及发送不同载波时对应的波形频谱。可见该系统能顺利执行SunSpec PLC通信功能，而且谐波含量少，确保了PLC通信的可靠性。

        AFE031作为一款PLC模拟前端器件，支持包括SunSpec在内的多种PLC协议，能方便地实现可靠的PLC通信功能。其优势还在于有较大的供电电压范围、较大输出电流、可检测低至20μVrms信号的接收灵敏性。在系统设计时，可根据选定的通信方式，通过SPI接口配置AFE031寄存器，并相应地取定外围滤波器参数，最后加上电力线耦合电路以及必要的保护电路即可完成系统构建。

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图10.  传输波形实验结果

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图11.  (a) f_m载波频谱，(b)f_s载波频谱