基于开关纹波调制的电源线通信技术

吴建德 杜 进 王睿驰 李楚杉 何湘宁

（浙江大学电气工程学院 杭州 310027）

1 引言

在传统的分布式系统中，RS485、CAN 等总线通信技术得到广泛应用[1,2]。相对于星形拓扑的连线方式，RS485、CAN 采用总线拓扑能显著减少连线长度。同时，这两种技术都采用平衡传输方式，能有效抑制共模干扰。这种传统的设计方式虽然电路简单，但是需要独立的通信线和供电电源。为简化布线，可以采用电力线载波通信（PLC）技术传输数据。传统的电力线载波通信一般指利用电力线路进行数据传输，包括应用于高压输电网的通信和中低压配电线路的通信。目前，PLC 通信在理论分析和实际应用中均取得了进展。文献[3-5]对电力线载波通信信道特性及传输特性进行了研究，为相关应用设计提供了参考。文献[6]基于人工蜘蛛网提出了PLC 通信的组网模型，对提高PLC 通信系统的可靠性有一定的帮助。文献[7-11]探讨了PLC 通信在自动抄表、电气控制等领域的应用。

PLC 技术也可以应用于直流电源系统。文献[12]在机器人的各个传感器及电机驱动器之间采用直流PLC 通信，以减少连接线。文献[13]针对多个光伏电池组件串联构成的光伏阵列，在每个光伏组件的输出端加入Boost 电路调节输出功率，并采用PLC通信在不同的光伏组件之间传输数据，实现光伏阵列在局部阴影条件下的最大功率输出。

传统的PLC 通信以高频信号作为载波，对数据进行调制，再通过耦合电路叠加到电源线，因此PLC 通信需要独立的信号调制电路。而电力电子电路在工作过程中，不可避免地在电源输入端产生高频纹波。如果对该纹波进行数字调制，即可实现PLC 通信功能。文献[14,15]针对具有公共母线的分布式DC-DC 系统，利用Buck 电路在输入端产生的开关噪声作为信号载波，通过调节Buck 电路的开关频率以及占空比扰动方法，实现了载波信号的频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）调制。在接收端通过信号调理电路和FPGA 数字滤波还原数据，从而实现数据通信。该方法验证了利用单一电力电子电路同时实现功率变换和信号调制的可行性。但是该文献并未分析电力电子电路的工作状态对通信信号的影响，以及该方法的适用性。

本文分析利用电力电子电路的开关纹波实现PLC 的工作原理，以及调制方式的选择。针对公共母线供电的Boost 电路，以变流器输入端的电压纹波为通信载波，通过对开关电路的功率/信号复合调制，在保持原有功率变换功能的基础上，实现电源线载波通信功能，原理框图如图1 所示。

图1 Boost 电路开关纹波调制框图Fig.1 Switching ripple modulation diagram of Boost circuit

2 开关纹波信号调制的基本原理

现代电力电子变换电路工作的基本原理是通过半导体开关电路，配合电感、电容等无源器件，实现电能的变换。脉冲宽度调制（PWM）技术是电力电子电路中最常用的控制方式。

图2 是一般形式的PWM 调制波形，对其做傅里叶变换，可得

图2 PWM 波形Fig.2Waveform of PWM

传统的电力电子电路通过调节占空比d 控制每个开关周期的直流分量，而需要滤除其余的谐波分量。虽然功率信号经输入、输出滤波器处理，但是在输入端和输出端仍然存在开关纹波，尤其以开关次谐波的幅值最大。如果利用该次谐波进行信号调制，就可以同时用来传输数据。

开关纹波信号调制的基本思想是：在调节占空比控制输出功率的同时，通过对开关载波的调制实现数据通信。从频域上分析，PWM 信号的基波分量控制变换器的功率输出，而载波分量实现数字信号传输，因此该方法也可以认为是一种功率/信号频分复合调制技术。

根据PWM 信号的傅里叶分析可以看出输出功率与开关频率和延时时间τT 无关，而调节延时时间τT 可以改变一次谐波的相位。因此，开关纹波的数字调制有两种基本方法，即载波频移键控（FSK）调制和相移键控（PSK）调制。本文仅分析FSK 调制系统，图3 给出了采用载波FSK 调制的功率/信号复合调制的控制框图。FSK 调制方法为：设备不发送数据时，Boost 电路的开关频率设为fs；设备发送数据“0”时，Boost 电路的开关频率变为f0；设备发送数据“1”，Boost 电路的开关频率仍为fs。

图3 功率/信号频分复合调制控制框图Fig.3 Control block diagram of power/signal frequency division multiplexing modulation

设备发送数据时，数据以字节为单位，采用异步串行通信的方式输出比特流（即每个字节加入起始位和停止位），再经FSK 调制作为Boost 电路的PWM 载波。

3 Boost 电路的纹波信号幅度分析

理论上讲，只要电力电子开关电路工作，在输入端产生的电压纹波都可以作为通信载波。但是，对于一个实用的载波通信电路，应尽量保证载波信号的幅度稳定。而电力电子电路的纹波信号幅度无法调节，且受到输入电压和输出负载变化的影响，因此并非所有的电路拓扑都可以利用开关纹波进行数据通信。只有在一定范围内能够保持纹波信号稳定的电路拓扑，才适合应用功率/信号复合调制技术实现纹波通信。

对于Buck 电路，由于其输入端电流断续，且纹波幅度受负载电流的影响很大，因此在输入端产生的电压纹波幅值将随负载的改变而大范围变化，不适合应用于纹波通信系统。

对于Boost 电路，在CCM 模式下输入电流波形iL如图4 所示，输入电流纹波峰峰值为

图4 Boost 电路及其输入电流波形Fig.4 Boost circuit and waveform of input current

分析可知，Boost 电路在CCM 模式下输入电流纹波不随负载电流变化。为避免Boost 电路工作在DCM 模式而影响电流纹波，本文采用图4 所示的同步整流Boost 电路，保证电路工作在CCM 模式。

对稳态输入电流纹波做傅里叶分析，设输出电压保持不变，可以得到基波分量幅值为

占空比d 与基波电流幅值的关系如图5 所示。可以看出，如果占空比在一定范围内变化，则基波电流的幅值也在一定范围内变化。如占空比在（0.3～0.6）区间变化，那么基波电流幅值的变化范围是1.8dB（0.81Imax～Imax）。因此，只要将占空比限定在一固定区间，则基波电流幅值也将在一固定范围内变化。

图5 PWM 占空比d 与基波电流幅值I1的关系（输出电压恒定）Fig.5 Relationship between PWM ratio d and current amplitude of base harmonic ripple I1(Constant output voltage)

4 开关载波形状选择

Boost 电路采用功率/信号复合调制方法同时传输功率和数据信号，为方便设计，应保证这两个功能在控制上相互独立。即在系统发送通信数据时，不能影响变换器的功率输出。以下分析Boost 电路采用不同形状的载波时，开关频率切换瞬态过程对主回路的影响。

4.1 锯齿波载波

图6 锯齿波载波开关频率切换过程Fig.6 Frequency switching process of sawtooth carrier

开关频率切换到f2后，设占空比不变，相应的开关纹波峰峰值变为，因此这个开关周期的电流平均值变为

频率切换前后两个周期的平均电流变化为

由于 Boost 电路一个周期的输出电流平均值iVT(AV)=(1-d)iAV，因此在占空比不变的情况下，频率切换会产生输出电流扰动。得到以下结论：对锯齿波载波进行FSK 调制将影响Boost 电路的输出功率回路，不利于功率与数据的解耦控制。

4.2 三角波载波

如图7 所示，Boost 电路的开关频率从f1切换到f2。设开关频率为f1时电感平均电流为iAV1，电流纹波峰峰值为ΔiL1，由于在频率切换点的电流瞬时值等于一个周期的平均电流iAV1，开关频率切换到f1后，开关纹波峰峰值变为，而每个周期的电感电流平均值保持不变，因此不会引起输出电流的突变。

图7 三角波载波开关频率切换过程Fig.7 Frequency switching process of triangular carrier

综上分析，可以得出结论：Boost 电路功率/信号复合调制的PWM 载波应采用三角波。

5 功率/信号频分复合调制系统的实现

图8 是利用Boost 电路的开关纹波实现电源线载波通信的系统框图，未包括信号接收与检测部分电路。Vbus作为输入电源总线，所有电源设备（PDn）的输入端与其相连，同时也是数据传输信道。E1为电压源，通过阻抗匹配网络Zr向Vbus供电。阻抗匹配网络Zr的作用是保证总线具有固定的交流阻抗。

图8 Boost 电路开关纹波调制通信系统框图Fig.8 Block diagram of the switching ripple modulation communication system based on Boost circuit

电源设备PD 从Vbus上获取功率的同时，在总线上产生电流纹波。该电流纹波在Vbus上产生纹波电压，其幅度由Vbus与地线间的交流等效阻抗决定。

本次临床观察结果为:观察组33例患中,有26例治疗效果显著,6例患者治疗有效,1例患者治疗无效,治疗总有效率为96.97%;对照组33例患者中,有19例治疗效果显著,8例患者治疗有效,6例患者治疗无效,治疗总有效率为81.82%,P值小于0.05,差异具有统计学意义。由此可知,美托洛尔联合胺碘酮治疗心律失常的临床效果较好。

设开关频率为f、Lr和Cr足够大，即匹配网络满足

则输出纹波电压主要由电阻Rr和Boost 电路输入电容Cn决定。Boost 电路从输入端分析，两个互补的开关管等效于方波电压源，而电感上的纹波电流为三角波，因此Boost 电路可以等效为三角波电流源，其交流等效电路如图9 所示，Vbus上的电压纹波值为

图9 Boost 开关纹波调制通信系统的信号等效电路Fig.9 Equivalent circuit of the switching ripple modulation communication system based on Boost circuit

可以看出，多个PD 设备通信时总线上的波形为各个独立电路的纹波线性合成。对于总线上的FSK 调制信号，接收端先通过带通滤波器和放大电路将纹波信号整形和放大，再由DSP 采样并通过离散傅里叶变换（DFT）算法，可获取该频率对应的谐波分量，从而对信号进行解调。

6 实验结果

根据图8 设计了一个实验平台，共三个Boost模块，电路完全一致，参数如下：

输入电压E1=13V

输出电压U1=U2=U3=20V

输出电流I1=I2=I3=1A

Lr=120μH；Cr=14μF；Rr=0.33Ω

L1=L2=L3=300.μH；C1=C2=C3=0.47μF。

Boost 电路的输出电压闭环控制及通信编解码过程由一片DSP 芯片TMS320F28035 完成。系统通信调制方法为：Boost 电路在不发送数据或发送“1”bit 时，采用频率为f1=100kHz 的载波；发送“0”bit 时，采用频率为f2=83.3kHz 的载波。每个bit 的持续时间为360μs，即通信速率为2.78kbit/s。根据上述电路参数，计算可知开关频率为100kHz 时，单个模块的输入电流纹波峰峰值约为150mA，电压纹波峰峰值约为50mV。开关频率为83.3kHz 时，单个模块的输入电流纹波峰峰值约为180mA，电压纹波峰峰值约为60mV。

在接收端，DSP 以 2μs 间隔对纹波信号进行A-D 转换，并对最近180 个点的数据进行DFT 运算。设第一次的A-D 采样序列为s(0)，s(1)，…，s(179)，则83.3kHz 信号幅度的DFT 计算公式为

下次DFT 运算时，采样序列变为s(1)，s(2)，…，s(180)，此时信号幅度的DFT 计算公式为

式（13）可转换为

根据式（14）递推公式，并利用DSP 内部控制律加速器（CLA）的平行计算功能，可以在2μs 时间内计算得到当前序列的83.3kHz 载波分量幅值。如接收端计算得到的载波幅值大于程序内部设定的阈值，则认为接收到有效信号，在数据接收引脚上输出低电平。

图10 为总线上仅有一个设备自发自收的波形，其中 u1为总线上的纹波信号经滤波和放大后的波形；u2为发送的串行数字信号波形；u3为纹波信号经DFT 算法解调后在数据接收引脚上输出的串行信号波形。

图10 发送信号、接收信号与纹波载波波形（总线接一个设备）Fig.10 Transmited signal,received signal and the waveform of ripple carrier (1 device in the bus)

总线接三台设备时，总线上的电压纹波等于所有设备的纹波合成，不发送数据时其幅值在 0～150mV 之间变化。图11 为总线接三台设备时的波形，其中一台设备发送数据，其余两台设备处于接收状态。u1为总线纹波信号经滤波和放大后的波形；u2为发送的串行信号波形；u3为解调后的串行信号波形。由图10 和图11 可以看出，接收信号与发送信号相比有延时。该延时由式（14）的解调算法所引起，影响通信速率，但是只要采用较低的通信速率，不影响数据的准确传输。

图11 发送信号、接收信号与纹波载波波形（总线接三个设备）Fig.11 Transmitted signal,received signal and the waveforms of ripple carrier (3 devices in the bus)

根据通信网络的分层原理，纹波信号的调制与解调过程属于物理层功能。而开关纹波通信系统是一个共享介质的总线拓扑系统，必须有相应的介质访问控制（MAC）协议，可采用主从轮询方式或采用CSMA 协议，本文不再做深入讨论。

7 结论

本文利用Boost 电路在功率变换过程中产生的开关纹波，在不增加额外信号调制电路的情况下，实现了直流电源线载波通信功能。该方法可用于小功率电源模块，在几乎不增加成本的前提下实现PLC 功能。

但是，该技术的实现需要合适的主电路拓扑结构，对于公共母线系统，Boost 电路具有载波信号稳定、与负载电流无关等优点，在一定的占空比变化范围内，可以实现负载功率和数据信号的解耦传输。

利用开关纹波调制实现电源线通信在电源设备低成本信息传输、分布式电源系统和物联网等领域开辟了广阔的应用前景。

[1]罗玉涛,张智明,赵克刚.一种集散式动力电池组动态均衡管理系统[J].电工技术学报,2008,23(8):131-136,142.Luo Yutao,Zhang Zhiming,Zhao Kegang.A novel distributed equilibrium and management system of dynamic battery pack[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2008,23(8):131-136,142.

[2]王晓寰,张纯江,等.现场总线控制的单相逆变电源并联系统[J].电工技术学报,2007,22(10):109-112.Wang Xiaohan,Zhang Chunjiang,et al.Control of paralleled single phase inverters based on CAN bus[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(10):109-112.

[3]蔡伟,乐健,靳超,等.电力线载波通信信道建模技 术综述[J].电力系统保护与控制,2012,40(10):149-154.Cai Wei,Le Jian,Jin Chao,et al.Overview of the channel modeling methods of power-line carrier communication[J].Power System Protection and Control,2012,40(10):149-154.

[4]罗汉武,蔡伟,乐健.电力线载波通信信道特性的影响因素分析[J].电力系统保护与控制,2013,41(7):73-78.Luo Hanwu,Cai Wei,Le Jian.Analysis of influence factors on power-line communication channel characteristics[J].Power System Protection and Control,2013,41(7):73-78.

[5]张在玲,韩富春,朱永利,等.非均匀传输特性的低压电力线载波传输模型[J].电工技术学报,2004,19(4):107-110.Zhang Zailing,Han Fuchun,Zhu Yongli,et al.The carrier wave communication transmission model of low-voltage power line based on the uneven transmission characteristics[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2004,19(4):107-110.

[6]刘晓胜,张良,周岩,等.低压电力线载波通信新型组网模型性能分析[J].电工技术学报,2012,27(11):271-277.Liu Xiaosheng,Zhang Liang,Zhou Yan,et al.Performance analysis of novel low-voltage power line communication model[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27(11):271-277.

[7]周陶涛,马正新,等.低压电力线通信性能测试分析与路径选择[J].电工技术学报,2008,23(8):126-130.Zhou Taotao,Ma Zhengxin,et al.Testing and analysis performance of LV PLC and transmission path selection[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2008,23(8):126-130.

[8]陈凤,郑文刚,等.低压电力线载波通信技术及应用[J].电力系统保护与控制,2009,37(22):189-195.Chen Feng,Zheng Wengang,et al.Low-voltage power line carrier communication technology and its application[J].Power system protection and control,2009,37(22):189-195..

[9]Korki M,Hosseinzadeh N,Moazzeni T.Performance evaluation of a narrowband power line communication for smart grid with noise reduction technique[J].IEEE Transactions on consumer electronics,2011,57(4):1598-1606.

[10]Mannah M A,Batard C,et al.Power line communication over feeder cables in an Industrial environment[C].IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications,Dresden,Germany,2009:255-260.

[11]Julian Meng,Marble A E.Effective communication strategies for noise-limited power-line channels[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2007,22(2):887-892.

[12]Eric R Wade,Haruhiko Harry Asada.Design of a broadcasting modem for a DC PLC scheme[J].IEEE Transactions on Mechatronics,2006,11(5):533-540.

[13]Eduardo Román,Ricardo Alonso,et al.Intelligent PV module for grid-connected PV systems[J].IEEE Transactions on Industry Electronics,2006,53(4):1066-1073.

[14]Walter Stefanutti,Stefano Saggini,et al.Power line communication in digitally controlled DC-DC converters using switching frequency modulation[J].IEEE Transactions on Industry Electronics,2008,55(4):1509-1518.

[15]Stefanutti W,Mattavelli P,et al.Communication on power lines using frequency and duty-cycle modulation in digitally controlled dc-dc converters[C].Annual Conference on IEEE Industrial Electronics,Paris,France,2006:2144-2149.