电力线通信设备电源端口浪涌防护电路设计

荣国成，王昊，沙莎

（1.长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022；2.长春电子科技学院 电子工程学院，长春 130114）

电力线通信（Power Line Communication）技术简称PLC技术，是利用交流电线传输数据信号的一种通信方式［1］。通常用于家庭内部数据传输，其特点是充分利用室内随处可见的电源插座，免除部署五类线的烦恼，在传输性能、穿墙能力、覆盖范围等方面优于WiFi，已经和五类线、WiFi等局域网技术并列成为家庭网络的主流技术，已在欧美日等国得到广泛应用［2］。

电力线载波通信技术的智能家庭终端设备的典型应用如图1所示，通过FTTH家庭组网模式，采用GPON光纤接入方式，使用PLC终端设备可以将同一个电表下的任一电源插座转换为网络端口。利用现有的电力线即可完成网络构建，无需重新铺设网线，真正实现即插即用，显著节约网络建设成本和加快网络建设速度。另外，集成了无线网络功能的PLC终端设备还解决了目前无线网络信号在室内传输的穿墙和覆盖问题，方便用户在室内不受位置限制地使用无线网络。随着网络应用需求的持续增长以及PLC技术的不断完善，PLC终端设备的应用前景十分广阔［3］。

图1 电力线通信典型室内组网形式

由于受雷击或电力负载的影响，电力线上会产生危害设备安全的浪涌干扰［4-6］。为了保护设备不因浪涌干扰而损坏，设备交流电源输入端口必须具有符合要求的浪涌防护能力（包括共模防护和差模防护）［7-8］。对于PLC终端而言，交流电源输入端口也兼作通信端口使用：工作频率为50～60 Hz的交流电通过该端口输入至PLC终端，而工作频率为2～200 MHz的PLC高速信号也通过该端口进行传输。因此要求该端口的浪涌防护电路不但能够提供足够的浪涌防护能力，而且对载波在电力线上的高速信号的衰减可以忽略不计，从而保证PLC终端设备的通信能力。另外，作为一款室内用户终端，浪涌防护电路设计应服从结构微型化和低成本设计的整体要求。

目前，PLC设备的目标市场集中于国内的社会需求和运营商需求，因此电源端口浪涌防护设计目标以符合中国电信企标Q/CT 2394规定的要求为准［9］，即电源端口浪涌防护电路要求具有±4 kV的差模和共模浪涌防护能力。

1 基本电路及浪涌干扰影响分析

1.1 PLC设备电源端口基本电路

采用L、N和PE三根线传输信号的通信方式具有两个数据通道，能够提供更高的传输速率，因此电力线载波电源端口基本电路采用图2所示的连接方式。该基本电路从功能上实现了PLC信号与交流电的分离与合流，这也使得电力线载波电源端口成为一个多功能端口：既是交流电源输入端口，又是通信端口。

图2 PLC设备电源端口基本电路

电力线载波可通过PLUG获取220 V交流电以及传输 PLC信号［10］。电感 L1和 L2对低频的220 V交流电呈现低阻抗，对高频的PLC信号呈现高阻抗，目的将220 V交流电传输至AC/DC电源转换电路，同时实现PLC信号与电源转换电路的隔离。电容C1和C2对高频的PLC信号呈现低阻抗，对低频的220 V交流电呈现高阻抗，目的将PLC信号耦合至PLC电路，阻止220 V高压进入PLC电路。

1.2 浪涌电路影响

通过对元器件参数的设置以及电路的分析，分别模拟差模浪涌干扰电路以及共模浪涌干扰电路如图3和图4所示。

图4 共模浪涌干扰模拟电路

其中V1代表浪涌干扰电压，R2为源内阻（差模为 2 Ω，共模为 12 Ω），C2为浪涌干扰耦合电容（差模为 18 μF，共模为 9 μF），R3为 PLC 线路阻抗。图3中，V4为 220 V、50 Hz的交流电，L4和C3组成了CDN网络，用来隔离交流电和浪涌干扰。

图3 差模浪涌干扰模拟电路

通过Pspice仿真模拟观察电源端口上的浪涌干扰对后级电路的影响如图5与图6所示。

图5 差模浪涌干扰仿真

图6 共模浪涌干扰仿真

图5中可观察出差模浪涌干扰发生在220 V交流电的波峰位置，其中V［n002］表示差模情况下电容C2耦合输出的浪涌干扰电压，V［n003］是C4在R1上的电压曲线，V［n006］表示R3的电压曲线，V［n001］是交流电源V4输出的220 V波形曲线。可以看出，差模浪涌干扰进入电力线载波电源端口后，由于PLC信号耦合电容的高阻抗作用，很大一部分浪涌干扰进入了电源通路。电源通路上的干扰电压峰值只略小于浪涌电压峰值，并且还出现了叠加在220 V交流电上的LRC振荡，而进入到PLC通路的干扰电压峰值大约为浪涌电压峰值的0.1倍左右。

图6显示的是共模浪涌干扰的仿真结果，V［n006］是共模情况线下C2耦合输出的浪涌干扰电压曲线，V［n007］是R3上的电压曲线。由于电力线的PE线仅被PLC通信线路使用，因此共模浪涌干扰理论上仅与PLC线路有关。同时仿真结果显示，PLC耦合电容对浪涌干扰具有较大的阻隔作用，进入PLC线路的干扰电压峰值约为浪涌电压峰值的0.2倍。

以上仿真皆为浪涌电压峰值设定为1 kV时的仿真结果，当浪涌峰值电压为4 kV时，浪涌电压将超过电力线载波单板上几乎所有器件的耐压水平，如果不使用防护电路必然会导致器件被击穿和烧毁。

2 双级保护电路设计

2.1 电力线载波电源端口电路设计

综合考虑差模与共模浪涌干扰，PLC电源端口防护电路共设有二级防护电路，如图7所示。

图7 电力线载波设备电源端口浪涌防护电路

浪涌防护电路在原有的基本电路中引入压敏电阻（MOV）、双向顺向电压抑制器（TVS）以及三电极气体放电管（GDT）等元器件。由MOV1和MOV2以及GDT1组成第一级防护，其中MOV1和MOV2用于GDT的熄弧，MOV3和TVS分别为电源线路和PLC线路的第二级防护，去耦电感L1、L2和变压器T1、T2同时也作为第一级防护和第二级防护的退耦器件。

GDT的阻抗超过1 GΩ，远大于压敏电阻阻抗10 MΩ，因此第一级防护电路中，初始浪涌电压几乎全部施加在GDT1上。当浪涌电压超过GDT的动作电压后，GDT1导通，接近短路，于是浪涌电压就全部施加在压敏电阻上，并且导致压敏电阻导通。当第一级防护电路的残压导致第二级防护器件动作时，第二级防护进一步降低向后级传输的过电压峰值，从而对后级电路形成保护，防止过电压损坏设备。

2.2 器件特性

在满足通流量要求的前提下，MOV1和MOV2的伏安特性要保证浪涌过电压干扰消除后气体放电管GDT1能够有效熄弧。当流经GDT1的电流小于辉弧转换电流（glow to arc transition current）时，GDT1从弧光放电转换为辉光放电，当交流电过零时，GDT1两端电压为0，实现有效熄弧。

当共模浪涌通过电压干扰消除后，线路上仅有220 V交流电。此时GDT1仍处于弧光放电，GDT1上的电压为弧光电压Varc约为10 V，考虑到线路电压10%的变化，那么压敏电阻MOV1或者MOV2两端的电压应满足为：

压敏电阻MOV3直接跨接在220 V交流线的L和N之间，为兼容以及确保GDT1能够完成辉弧转换，考虑到线路电压的10%变化，以及MOV动作电压的10%容差，压敏电阻的直流动作电压不应小于：

压敏电阻放置于去耦电感后级，是为了避免跨接在电力线上压敏电阻较大的寄生电容C对PLC信号的衰减，从而影响PLC通信性能。假定压敏电阻寄生电感L为5nH（包括引线），其寄生电阻忽略不计，则可通过式（1）计算出正常状态下压敏电阻阻抗随频率的变化，根据式（2）可计算出压敏电阻对PLC信号的衰减大小（假定源和负载阻抗均为75 Ω）。

气体放电管的寄生电容不大于1.5 pF，因此MOV1、MOV2和GDT1的串联电路引入的寄生电容也不会超过1.5 pF，考虑寄生电感的影响，对PLC信号的衰减不会超过3 dB。TVS的寄生电容一般为3～5 pF，最低可为0.5 pF，对PLC信号的衰减也不会超过4 dB。由于隔离电感的作用，放置于其后的MOV3对PLC信号的影响可以忽略不计。

3 验证测试结果

通过使用标准的浪涌信号发生器产生4 KV、1.2/50 μs波形的信号，对交流电源端口施加正、负各5次的浪涌脉冲测试，且每两次脉冲间隔时间不少于一分钟。对电源线和信号线应分别在不同组合的共模和差模状态下施加脉冲冲击，电源端口的电压波形分别如图8和图9所示。

图8 差模4 kV浪涌试验时电力线载波电源端口L-N电压波形

图9 共模4 kV浪涌试验时电力线载波电源端口L-PE和N-PE电压波形

从图中L-N以及L-PE曲线来看，浪涌干扰导致了叠加在220 V上振荡电压的产生，与图5、图6的仿真结果相对应，表明了仿真技术在浪涌防护电路设计上的可行性。

分别采用焊接防护器件PLC设备和未焊接防护器件PLC设备的两种情况下进行组网对比测试，采用信噪比和建链速度专用监控测试工具对组网内的两个PLC设备进行对比测试，两台PLC设备通过滤波器和衰减器进行互联，测试传输信号的信噪比和建链速率。在实验室的环境下，采用滤波器对220 V电源和载波信号进行滤波分离，电力线载波信号通过同轴线和可调式衰减器进行连接两个PLC设备，模拟真实环境进行测试。以下数据为可调衰减器衰减80 dB的情况下的信噪比和建链速度对比，分别如图10-图13所示。

图10 未焊接防护器件时传输速率

图11 未焊接防护器件时信噪比

图12 焊接防护器件后传输速率

图13 焊接防护器件后信噪比

图10-图13分别表示未焊接防护器件与焊接防护器件的对比，在接入防护器件后建链速度和信噪比无明显差异，考虑受环境的影响，防护器件对PLC信号的影响几乎可以忽略不计。

4 结论

电力线通信设备的电源端口作为一个新型的多功能端口，浪涌防护电路设计不但要考虑防护能力，还要求不能影响设备的通信能力，同时还应兼顾成本要求。本文通过Pspice仿真软件对电路进行预仿真，提出符合需求的浪涌防护电路设计方案，通过实际测试完全满足不引入噪声且满足浪涌指标的需求。这些方法并不仅仅适用于该设备，对其它可靠性设计也有一定的借鉴意义。