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复合耦合技术在低压电力线通信设计中的应用

作者:时间:2013-11-12来源:网络收藏

2 ST 7538 电力线接口电路的设计

2. 1 ST 7538 调制解调芯片

ST 7538 载波芯片是一款为家庭和工业领域电力线网络通信而设计的半双工、同步/异步FSK 调制解调器芯片。ST 7538 内部集成了发送和接收数据的所有功能,通过串行通信,可以方便地与微处理器相连接,且只要通过耦合变压器等少量外部器件,即可连接到电力网中。ST 7538功能强大、集成度很高,采取了多种抗干扰技术,如果能够很好地利用其多频段性,就可以克服窄带通信的缺点。ST7538 作为很有代表性的窄带通信芯片,在远程抄表、灯光控制、智能家电等领域已经有了广泛的应用。

除此之外,该芯片还有以下主要特点:

(1) 有8 个可编程( 载波) 频率,即60、66、72、76、82. 05、86、110、132. 5 kHz;(2) 内部集成电力线驱动接口,并且提供可编程电压控制和电流控制;(3) 可编程通信速率高达4 800 b /s;(4) 极低的功耗,在接收状态下功耗只有5 mW;(5) 接收灵敏度很高,接收灵敏度为1 mVRMS。

2. 2 接口电路框图

ST 7538 电力线收发信号通道框图设计如图2 所示。接收信号通道由耦合电路、滤波电路、保护电路、电压放大电路组成。发送信号通道由电压放大电路、功率放大电路、滤波电路、保护电路、耦合电路组成。

电力线接口首先是一个耦合电路,用于FSK信号的传输与接收,同时也是一个滤波系统,能可靠地过滤掉220 V/50 Hz 的电力信号、噪声信号和浪涌信号。

图2 ST 7538 的电力线收发信号通道框图。

由于希望系统使用时有较远的通信距离,就必须要求模块发送端有足够大的功率输出,而大输出功率的放大电路不宜长时间连续工作,否则容易过热损坏;若设计高要求的大输出功放电路,会增加系统成本。为此,系统采用如图2 框图中的发送放大电路电源控制,使系统只有处于发送状态时发送电路中的电压放大和功率放大电路才能得到合适的工作电源而工作;系统处于接收状态时,发送电路中的电压放大和功率放大电路因得不到电源而不工作;而模块中的接收信号通路的电压放大电路是始终工作的。

2. 3 耦合保护窄带滤波接口电路

根据上述接口电路的模型,可设计出低压发送端的接口电路,如图3 所示。

图3 载波发送端接口电路。

在发送电路中,三极管和变压器组成调谐功率放大电路。该谐振变压器TRANS4 有着双重作用:

① 耦合载波信号;

② 使通信电路与220 V/50 Hz的强电隔离,C14为耦合电容。

前级功放输出的信号经谐振网络选频,耦合到交流电力线上,其调谐回路的谐振频率应满足:

若将中心频率选在82. 05 kHz,C11 =1 000 pF,经计算可得电感L 的取值在3. 76 mH左右。实用时,一般通过调节变压器一次绕组电感量来调节中心频率。C10 = 0. 56 μF,经计算可得电感L4 = 6. 73 μF( 实用L4 = 6. 8 μF),变压器设计为部分接入功放,① 考虑阻抗匹配的需要;② 使变压器及电力线侧负载变化对谐振特性的影响最小。选取在电力线上的元件C10、C11、R35、CNR、L4时,既要考虑它们的通载波、隔离220 V/50 Hz 的强电能力,还要考虑器件的耐压和功率、电路使用的安全及有效性。R35、CNR 还兼有展宽通频带的作用,但信号增益有所下降。



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