復合耦合技術在低壓電力線通信設計中的應用

2 ST 7538 電力線接口電路的設計

2. 1 ST 7538 調制解調芯片

ST 7538 載波芯片是一款為家庭和工業領域電力線網絡通信而設計的半雙工、同步/異步FSK 調制解調器芯片。ST 7538 內部集成了發送和接收數據的所有功能，通過串行通信，可以方便地與微處理器相連接，且只要通過耦合變壓器等少量外部器件，即可連接到電力網中。ST 7538功能強大、集成度很高，采取了多種抗干擾技術，如果能夠很好地利用其多頻段性，就可以克服窄帶通信的缺點。ST7538 作為很有代表性的窄帶通信芯片，在遠程抄表、燈光控制、智能家電等領域已經有了廣泛的應用。

除此之外，該芯片還有以下主要特點:

(1) 有8 個可編程( 載波) 頻率，即60、66、72、76、82. 05、86、110、132. 5 kHz;(2) 內部集成電力線驅動接口，并且提供可編程電壓控制和電流控制;(3) 可編程通信速率高達4 800 b /s;(4) 極低的功耗，在接收狀態下功耗只有5 mW;(5) 接收靈敏度很高，接收靈敏度為1 mVRMS。

2. 2 接口電路框圖

ST 7538 電力線收發信號通道框圖設計如圖2 所示。接收信號通道由耦合電路、濾波電路、保護電路、電壓放大電路組成。發送信號通道由電壓放大電路、功率放大電路、濾波電路、保護電路、耦合電路組成。

電力線接口首先是一個耦合電路，用于FSK信號的傳輸與接收，同時也是一個濾波系統，能可靠地過濾掉220 V/50 Hz 的電力信號、噪聲信號和浪涌信號。

圖2 ST 7538 的電力線收發信號通道框圖。

由于希望系統使用時有較遠的通信距離，就必須要求模塊發送端有足夠大的功率輸出，而大輸出功率的放大電路不宜長時間連續工作，否則容易過熱損壞;若設計高要求的大輸出功放電路，會增加系統成本。為此，系統采用如圖2 框圖中的發送放大電路電源控制，使系統只有處于發送狀態時發送電路中的電壓放大和功率放大電路才能得到合適的工作電源而工作;系統處于接收狀態時，發送電路中的電壓放大和功率放大電路因得不到電源而不工作;而模塊中的接收信號通路的電壓放大電路是始終工作的。

2. 3 耦合保護窄帶濾波接口電路

根據上述接口電路的模型，可設計出低壓電力線通信發送端的接口電路，如圖3 所示。

圖3 載波發送端接口電路。

在發送電路中，三極管和變壓器組成調諧功率放大電路。該諧振變壓器TRANS4 有著雙重作用:

① 耦合載波信號;

② 使通信電路與220 V/50 Hz的強電隔離，C14為耦合電容。

前級功放輸出的信號經諧振網絡選頻，耦合到交流電力線上，其調諧回路的諧振頻率應滿足：

若將中心頻率選在82. 05 kHz，C11 =1 000 pF，經計算可得電感L 的取值在3. 76 mH左右。實用時，一般通過調節變壓器一次繞組電感量來調節中心頻率。C10 = 0. 56 μF，經計算可得電感L4 = 6. 73 μF( 實用L4 = 6. 8 μF)，變壓器設計為部分接入功放，① 考慮阻抗匹配的需要;② 使變壓器及電力線側負載變化對諧振特性的影響最小。選取在電力線上的元件C10、C11、R35、CNR、L4時，既要考慮它們的通載波、隔離220 V/50 Hz 的強電能力，還要考慮器件的耐壓和功率、電路使用的安全及有效性。R35、CNR 還兼有展寬通頻帶的作用，但信號增益有所下降。