基于直流电源的电力线载波通信耦合电路设计
2016-08-25刘恒光姜秀杰熊蔚明安军社
刘恒光,姜秀杰,熊蔚明,安军社
(1.中国科学院国家空间科学中心 北京 100190;2.中国科学院大学 北京 100049)
基于直流电源的电力线载波通信耦合电路设计
刘恒光1,2,姜秀杰1,熊蔚明1,安军社1
(1.中国科学院国家空间科学中心 北京100190;2.中国科学院大学 北京100049)
试图通过电力线载波通信(以下简称PLC)技术在直流电源线上传递控制信号,从而实现减少信号线,简化控制系统的目的。目前较为成熟的PLC技术,主要应用在交流环境下,在直流环境下应用并未出现,这就导致耦合电路成为本课题研究的关键技术。本文研究了直流电源的信道特性、提出了相应的频带需求,分析了DC/DC电源变换器和耦合电路的结构,成功设计出了耦合电路,并对其传输特性进行了测试分析。
电力线载波通信;耦合;直流电源;电源变换器
PLC的应用和发展已有几十年的历史,其中低压配电网中使用的载波频率高达40 MHz,数据速率已到200 Mbps,主要用于互联网最后一公里的介入、数字家庭网络等[1]。目前国内发展较为成熟的智能抄表技术、电力负荷监控、智能家居等都是在交流网络中。而我们要研究的是直流网络,且其中的DC/DC电源变换器包含有EMI滤波器,DC/DC模块等,对传输信号的频带选择起重要影响。此外,就通信距离而言,地面上配电线路的长度可达数十千米[5],但直流电源与负载间的连线较短,长度一般在数十米。这些均呈现出与交流网络不同的信道特性,是我们在设计耦合电路时必须考虑的因素。
1 直流电源信道特性
线路的通道特性直接影响到信号的传输质量,例如,阻抗特性影响设备电平的匹配,噪声的频率特性影响通信频率的选择,衰减特性决定功放的功率等。所以,无论以何种方式进行通信,必须了解线路的通道特性。
1.1噪声
低压电力线上的信号衰减特性和干扰性非常复杂,而且随机性、时变性大,难以找到一个较为准确的解析式或数学模型加以描述[4]。而直流电源的信道特性就较为干净,主要的噪声就是电源纹波。
1.2阻抗特性
理想情况下,当没有负载时,电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于分布电感和分布电容的影响,输入阻抗会随着频率的增大而减小。当电力线上有负载时,所有频率的输入阻抗都会减小。一般负载的类型各不相同,便使得不同频率的阻抗变化也不相同,所以实际情况较为复杂。
1.3衰减
电力线一般由良导体加工而成,其本身阻抗很小,对不同频率的信号,其阻抗略有变化且相对稳定。因此电力线本身的阻抗不是产生衰减的主要原因[4]。而并联在电力线上的负载对信号衰减影响很大。就负载而言,其包含的一些大电容,很容易将信号短路。此外,当负载的阻抗很小时,发送耦合电路的内阻也不可忽视,它会分去相当一部分功率。
通过上述分析,直流电源线上的信号衰减特性和干扰特性复杂,难以通过一个准确的数学模型加以描述,这就对我们耦合电路的设计提出了较高的要求,要求有很好的自适应能力。
2 频带需求
所选信号的频带随着电力线载波通信应用的不同而不同,相应的耦合电路也有所差异。
传统的基于点对点的数据传输,所使用的信号频率范围,在我国相关标准规定为40~500 kHz,数据传输速率在100 kbps以内,属于窄带传输。基于点对多网络的高速数据传输,原有的500 kHz以内的信号频带已不能满足[10]。我们研究1~10 MHz的频率范围,应用先进的调制解调和编码技术科实现百Mbps级的传码率,属于宽带传输。相应的耦合电路要与所选频带相匹配。
3 DC/DC电源变换器
DC/DC电源变换器是直流电源系统重要组成部分,它是各个电子设备安全、可靠工作的基础。DC/DC变换器是将输入的一次电源母线直流电压变换成一种或几种具有一定稳压精度和品质的直流电源电压,为一般电子设备供电。典型电源变换器的组成详见图1。为保证在电源线上的载波不影响到DC/DC变换器后的负载,所选载波的频率须在EMI滤波器的阻带中,所以EMI滤波器的滤波性能对于我们整个系统的频带选择至关重要。
图1 DC/DC电源变换器组成框图
常用的EMI滤波器主要有两种,一是DVMC28,其滤波性能如图2,一是FMCE-0528-F,其滤波性能如图3。由图2、图3可看出,两个滤波器在1~10 MHz的频带内,对噪声的抑制能力相当强。
图2 DVMC28的滤波性能[7]
图3 FMCE-0528-F的滤波性能[8]
4 耦合电路设计
耦合电路(图4)主要由变压器和电容组成,载波信号通过变压器、电容耦合到电力线上,同时从电力线上接收载波信号。电容C1的耐压值应大于工作电压,其值选为10 nF。变压器T1不仅具有隔离作用,又可实现阻抗变换。电容C1和变压器T1的初级线圈组成高通滤波电路,减少了电源纹波及低频噪声的干扰,而对高频载波信号提供尽可能小的衰减及线性幅频、相频特性[1]。电阻R2的作用是在断电时给电容C1提供放电通道。
由于要实现1~10 MHz范围内宽带信号的耦合,耦合变压器T1的设计和制作十分关键。普通的电子变压器只能实现几十Hz到105Hz量级的信号耦合,限制变压器工作带宽的主要因素在于线圈绕组间的漏感和分布电容。同时我们还要考虑到变压器的尺寸,要尽可能的小。最终,我们选取型号为T1-6-KK81的变压器,该变压器的变比为1:1,在1~10 MHz的频带内,插入损耗不到0.4 dB,性能相当好。其插入损耗图(图5)如下。且其长、宽、高分别为7.62 mm、14.61 mm、6.84 mm,尺寸足够小,完全满足需求。
图4 耦合电路
5 性能测试
为了测试数据更加真实、有效,我们要尽量构建真实的直流电源环境。图6为我们搭建的测试环境,用以测试耦合电路的性能以及整个系统的传输特性。该环境主要由耦合电路和DC/DC电源变换器组成,其中DC/DC电源变换器与直流电源中的DC/DC电源变换器完全一致。由于传输的数据是以正弦信号为载波,为交流信号。而直流电源的内阻很小,为防止交流信号被直流电源短路,需在直流电源端串联共轭电感。感抗应在千欧以上,才能有效地防止交流信号进入直流电源。考虑到所选频带为1~10 MHz,根据感抗的计算公式XL=2πfL,确定所选共轭电感的值应在mH级别。我们所选的电感为32mH,对1~10 MHz产生的感抗为200 960~2 009 600 Ω,完全满足需求。
图5 T1-6-KK81的插入损耗[9]
图6 测试环境
本次测试共有4个节点,每个节点均通过一根2 m长的双绞线连接到直流电源。4个节点除EMI滤波器不同外,其余皆相同,具体型号如表1所示。
每次测试前,均要检测DC-DC端的输出电压是否正常。若正常方可进行下面的测试,否则就要检测线路的连接。实际测试环境如图7所示。
表1 各节点主要元件
图7 测试环境实物图(左)和节点连线实物图(右)
测试分两部分:
第一步:节点1作发送端,连接信号源,节点2作接收端,连接示波器,同时将节点3、节点4接入到电路中,等效于负载。信号源产生的正弦信号幅值为1.22 V,频率从1 MHz 到10 MHz,频率间隔为1 MHz。信号源产生的信号通过节点1发送到电源线上,节点2通过示波器将接收到的信号呈现出来。图8为接收信号在不同频率下的幅值,总体呈抛物线状,其最大值、最小值分别为(5 MHz,348 mV),(1 MHz,28 mV)。我们选取接收端这两点的波形,如图9所示。观察可知,1 MHz处的波形略有重影,5 MHz处的波形清晰,整体来看,两处的波形虽各有衰减,但都无畸变,无失真,证明系统良好的传输性能,体现出耦合电路设计的优越性。
图8 接收端信号的幅值
图9 接收端波形1 MHz(左)和5 MHz(右)
图10 传输系数
第二步:用矢量网分析仪器连接节点1、节点2,当电路中接入2个节点、3个节点、4个节点时,其传输系数S21分别对应图10中由上到下的虚线、黑线和灰线。观察可知,三条曲线形状相似,均呈抛物线状,最高点依次递减,分别为(5.095 MHz,-6.421 dB)、(5.095 MHz,-7.202 dB)、(5.275 MHz,-7.918 dB)。
观察得知,在1~10 MHz频带内,系统的传输系数在5 MHz附近取得。并随着接入电路中节点数的增加,传输系数逐渐减小。这是因为随着接入电路节点数的增加,对于发送信号的节点1来说,相当于并联的负载数增加,导致总的负载阻抗减小,从而负载的分压减小,那么节点2接收到的信号功率必随之减少。
由两部分测试可知,在1~10 MHz频带范围内,信号通过耦合电路能过在电源线上无失真传输,并在5 MHz附近传输效率最高,衰减可达-6.421 dB。且随着接入电路负载的增加,传输系数逐渐减小。
6 结 论
本文针对直流电源的信道特性,设计出适用于直流环境的宽带载波通信耦合电路。该耦合电路能使一定带宽的交流信号在电源线上无失真传输,且能较好地满足传输特性的要求,对多点网络传输特性研究有借鉴意义。
[1]李建岐,胡岚,米硕.低压电力线载波通信宽带耦合技术及其装置[J].电力系统通信,2004(4):7-10.
[2]Bertuol S,et al.Numerical Assessment of Propagation Channel Characteristics for Future Application of Power Line Communication in Aircraft[C]//10th Int.Symp.on EMC,2011:506-511.
[3]Dégardin V.et al.Theoretical approach to the feasibility of powerline communication in aircrafts[J].IEEE Trans.VT,2013,62(3):1362-1366.
[4]王超.基于PL3200芯片的电力线载波通信装置研究[D].上海:上海交通大学,2005.
[5]郭以贺.中压电力线通信关键技术研究[D].保定:华北电力大学,2014.
[6]Kilani K,et al.Impulsive noise generated by a pulse width modulationinverter:modelingandimpactonpowerline communication[C]//ISPLC,2013:75-79.
[7]Liu H L,Zhang B H.The couple technology of distribution high-speed carrier communication[J].Power System Communication,2002(2):1312-1315.
Coupling circuit design of power line communication based on DC power
LIU Heng-guang1,2,JIANG Xiu-jie1,XIONG Wei-ming1,AN Jun-she1
(1.National Space Science Center of Chinese Academy of Science,Beijing 100190,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
We are trying to transmit control signals on DC power line by Power Line Communication(hereinafter referred to as PLC)technology,which can reduce the quantity of signal lines and simplify the corresponding control system.PLC technologies are currently used in AC environment,but rarely implemented in DC environment,which makes coupling module the key technology in this project.This paper studied the channel characteristics of DC power line,and proposed the frequency band needs,and analysis the structures of coupling module and DC/DC power converter.At last we designed a coupling module successfully and tested its transmission characteristics.
power line communication;coupling;satellite control system;power converter
TN915.18
B
1674-6236(2016)14-0186-04
2015-07-24稿件编号:201507162
刘恒光(1992—),男,河南焦作人,硕士。研究方向:CAN总线数据传输。