消费总线电力线接口电路的设计

从P300输出的信号幅度小、驱动能力弱而且还有高次谐波，因此必须经过滤波和放大，然后才能通过耦合电路将信号调制到电力线上。耦合电路将高压和低压隔离开，防止高压击穿通讯电路。另一方面，从电力线来的载波信号又要由P300接收，而电力线上的干扰很大也很不确定，所以需要一个带通滤波器，通过100kHz～400kHz之间的信号，再送到P300的接收端。电路的方框图如图3所示。

其中左边的3根线来自P300，TS是数字信号，控制收发转换。实际上P300的收发类似半双工方式，因为当它在“发送”劣态的时候，实际上并没有输出信号。因此，这个时候它可以处于接收状态，如果接收到了优态，就表示发生了竞争。

3.1 滤波电路

输入滤波器电路如图4所示。

这个滤波器有6阶，对高频干扰有很好的抑制，图5是它的频率响应曲线。在高频段400kHz处衰减为3dB。高于400kHz的平均衰减为3dB，高于400kHz的平均衰减为128dB/dec，可以有效地过滤干扰信号。

P300输出的信号包含丰富的高次谐波，为了减小对电网的干扰，先经过带通滤波器再进行放大。滤波器也采用无源电路，原理与上面类似，这里不再多述。

3.2 放大电路

P300的输出信号经过滤波之后，其内阻很大，没有驱动能力，而且电压幅度不符合消费总线的要求，必须放大后才能够驱动电力线。放大电路不仅要有强有力的输出能力，还需有禁止输出功能，这样才能使P300接收其它节点发出信号。

电网的性能不确定，有时是容性负载，有时是感性负载。这样就给末级电路采用反馈带来很大困难。因为当负载的阻抗特性变化时，输出的信号相位会发生变化，最终有可能是负反馈变成了正反馈，从而引起振荡。

图6 电力载波放大电路

设计的电力载波放大电路如图6所示，虚线的左边的原理图，右边是实现电路图。可以看出，这个电路有两个输入，一个输出。输入信号来自P300的电力载波，输出使能控制放大器运行。图6的左半部分，T1和T2接成互补式OTL输出，它们的偏置电压来自电阻R1、R2的分压。来自P300的信号经过运放U1放大达到期望的幅度，然后通过电容耦合到T1和T2的基极。如果开关S1和S2合上，则T1和T2正常输出电信，P300可以发送数据；如果S1和S2都断开，那么T1和T2的基极都处于悬空状态，输出端也成为悬浮状态，从而不会吸收由电力线传来的信号，P300可以接收信号。

在图6的右边，开关S1和S2也被T7和T8取代,T1和T2被复合管取代，其中的电阻R11用来消除三极管漏电电流的影响。采用复合管是为提高放大倍数，这样可以尽量减小级间耦合，即使输出信号发生了畸变，也不会影响到前级而发生振荡。实际证明这种做法是很可行的。其对容性负载、感性负载以及纯电阻的负载都有较稳定的输出，输出阻抗小于2Ω。

图7 P300与电力线的耦合电路

3.3 耦合电路及保护措施

图7中J1接到电力线，R1是压敏电阻，它可以使尖峰脉冲短路，变压器T1实现了高压与低压的隔离。因为载波的频率比较高（100kHz～400kHz），远远大小电网的频率，这样就使载波信号畅通无阻，而能够隔断高压。电容C1阻断低频高压，阻止变压器饱和；电阻R2取值比较大，作用是在离线时使电容放电，防止在设备插头的两端出现高压。Z1是瞬变抑制二极管（Transient Voltage Suppressor，或称TVS），它可以有效地避免后而电路被高压击穿。L1、D1、D2也是为防止高压击穿放大电路而设计的。电力线上的设备接入或者是断开，都有可能引起尖峰脉冲，并导致收发电路的永久损坏。所以高压保护措施是至关重要的。

除了电力线上会产生高压脉冲破坏器件以外，当设备刚刚接上电源时（参看图7），如果电力线刚好处于电压的最大值，而此时电容上的电压为0，会有300V（220V有效值，最大值311V）的高压直接加在变压器两端，引起很大的电流，从而在次级产生尖峰脉冲。这个脉冲的电流相当大，可达几十安培到上百安培，采用一般的稳压管根本没有办法消除这个脉冲。笔者曾经尝试过采用压敏电阻吸收这个脉冲，但压敏电阻的响应比较缓慢，在出现脉冲的一微秒之内仍然有几十伏的电源，足以烧坏放大电路。实践表明，这种刚刚接入电路时的瞬态脉冲所产生的破坏力相当大。幸运的是，它的电流虽然很大，但是能量却不是那么大。笔者采用的瞬变抑制二极管1.5KE6.8CA响应时间是5ns，能够吸收200A电流，瞬态功率可达1500W。可以简单地把它看作是一个具有强大吸收电流能力的稳压二极管，但它的动态电阻比较大，所以还需要D1和D2这两个肖特基二极管进一步把电阻钳位在电源电压左右，电感L1的作用是阻断特别窄的高压脉冲。经过这些保护措施，后面电路没有出现过任何故障。

在设计电路板时，应该充分考虑到电路板敷铜皮的阻抗影响，例如在图8的电路板布局中，Z1是瞬变抑制器件，元件的引线和铜皮都会引入电感，从而消弱吸收效果。