發布日期：2022-04-28 點擊率：70
Other Parts Discussed in Post: AFE031, TPS43060
作者：羅嘉林 實習工程師， 龐家華 華南區工程師 email: pangjiahua@ti.com
AFE031是一款應用于電力線通信的模擬前端器件，可以作為電力線通信系統的收發器。本文將從AFE031應用背景、基本框架及系統設計三個方面進行介紹。
一． 應用背景
電力線通信（Power Line Communication, PLC）是一種利用電力線進行數據信息傳輸的通信技術，其基本系統框圖如圖1所示。數字信號經調制后以載波形式發送，再經PLC收發器進行調理后，加載到電力線上進行傳輸，而接收則是一個反向過程。SunSpec快速關斷協議是專門針對光伏系統快速關斷功能制定的PLC協議。SunSpec規定，調制方法采用B-FSK（二進制頻移鍵控），B-FSK調制原理如圖2所示，SunSpec指定的兩種載波頻率分別為fm=131.25kHz，fs=143.75kHz，處于窄帶通信的CENELEC B/C/D頻段中。另外，SunSpec指定發送的兩類有效指令包括了關斷指令及正常工作指令，一個指令的完整發送周期為1070.08ms。詳細的FSK原理介紹及SunSpec通信參數規定請看TIDA-060001。
圖1. PLC系統框圖
圖2. FSK調制原理
PLC的收發器由模擬前端器件構成，該環節對MCU發送的數字信號或從電力線接收到的載波信號進行調理，從而保證信號能準確、有效、可靠地在電力線上進行傳輸。而AFE031正是一款優質的PLC模擬前端器件，可用于構建支持SunSpec等協議的PLC系統，其與MCU的接口也如圖1所示。
二． AFE031基本概述
AFE031內部高度集成，圖3是AFE031的功能框圖，其中，紅圈標示了PLC的Tx模塊，藍圈標示了PLC的Rx模塊，另外，紫圈標示了其他輔助功能模塊，內部資源豐富。
Tx模塊負責對發送路徑信號進行處理，其包含數模轉換器DAC、增益可調放大器Tx_PGA、帶寬可調低通濾波器Tx_Filter以及功率放大器PA。在Tx模塊內，待發送信號被放大和濾波后送入功率放大器PA，PA以6.5V/V的固定增益進一步將信號放大后輸出，驅動負載。
Rx模塊負責對接收路徑信號進行處理，接收路徑上的環節依次是增益可調放大器Rx_PGA1、帶寬可調低通濾波器Rx_Filter 、可調增益放大器Rx_PGA2。接收信號經過放大、濾波處理后送入MCU的ADC以還原數字信號。
MCU經SPI接口可對AFE031寄存器進行配置從而改變Tx模塊及Rx模塊的放大器及濾波器參數，針對SunSpec應用，Tx和Rx的濾波器可設置為CENELEC B/C/D檔，對應截止頻率為145kHz。更多MCU與AFE031接口方式及調參方法請瀏覽SBOA130A及TIDA-060001。
AFE031的優勢可以總結如下：支持包括SunSpec在內的多種協議；供電PA_Vs范圍大，為7-24V；輸出電流可達1.5A；接收靈敏性好，可檢測到低至20 μVRMS信號；高度集成，資源豐富；配置靈活。
以上對AFE031基本框架、主要模塊功能作用以及優勢做了一個基本的介紹，關于各模塊參數值、工作原理、寄存器配置的詳細介紹請參考AFE031數據手冊。
圖3. AFE031功能框圖
三． 基于AFE031的SunSpec PLC系統設計要點
構建基于AFE031的SunSpec PLC系統有幾個部分要重點考慮： Tx路徑、Rx路徑、電力線耦合電路、保護電路，下面將分別對這幾個部分的外圍電路設計要點進行介紹。
（1）Tx路徑
AFE031支持兩種Tx模式，分別是DAC模式和PWM模式，兩者的連接方式及外圍電路設計都有所差異，如圖4(a)和圖4(b)所示。
圖4. Tx路徑. (a) DAC 模式，(b)PWM模式
兩種模式都需設置PA輸入端交流耦合電容CIN以及PA限流值設置電阻RSET。而CIN作為高通濾波器，其取值決定于用戶需要的截止頻率fHP。SunSpec的較低頻率fm=131.25kHz，為預留一定裕量，應設置fHP應小于fm，CIN的計算公式為：
(1)
而RSET串接于PA_ISET引腳，RSET與限流值ILIM的關系式為：
(2)
兩種模式的區別在于，DAC模式下，MCU會通過快速中斷給AFE031發送正弦波離散值，雖然該過程會占用較多CPU資源，但傳送信號經DAC轉換后，諧波含量很小，無需設置太多外圍濾波器；而PWM模式下，MCU直接通過外設ePWM給AFE031發送PWM波，這種模式下，MCU的配置很簡單，但信號的諧波含量較大，需要設置外圍濾波器，如圖4(b)所示的RC低通濾波器Fd1和Fd2，可加強濾除PWM波的高次諧波。RC低通濾波器推薦使用電阻Rd為510Ω，截止頻率為fL，fL應大于待傳送信號頻率。而SunSpec協議的最大載波頻率為fs=143.75kHz，所以fL應大于fs，對應的Cd1和Cd2的設置可參考以下公式：
(3)
（2）Rx路徑
Rx路徑如圖5所示，Rx路徑上，接收信號先后經過外圍帶通濾波器F1及AFE031內部Rx模塊。
由于電力線工作環境復雜， AFE031接收到的信號可能含有各種干擾，因此，有必要為Rx路徑設置一個外圍的帶通濾波器F1，F1是四階帶通濾波器，其設計可遵循以下原則：首先選定濾波器特征阻抗Zc，該值與傳輸線阻抗匹配，對于PLC應用，可設定為1kΩ；然后確定電阻大小，兩電阻R1、R2起到分壓作用，當選擇R1=R2=Zc，信號有-6dB的衰減，若選擇R1=Zc，R2=10Zc，則信號有接近0dB的增益；最后可按照以下公式確定剩下的LC參數：
(4)
其中f1是帶通濾波器的低頻截止頻率，f2是帶通濾波器的高頻截止頻率，針對SunSpec的應用，f1應小于fm，f2應大于fs。比如可選擇C1=1.7nF，C2=1nF，L1=1.2mH，L2=1.5mH。
此外應注意的是，Rx_Filter是一個單位增益四階低通濾波器，需要依靠兩個外部輔助電容來正確配置濾波器，對于SunSpec所處的CENELEC B/C/D頻段，兩電容設置分別是CR1=270pF，CR2=560pF。
圖5. Rx路徑
（3）電力線耦合電路
電力線耦合電路用于連接AFE031與電力線，使得信號能在兩者之間交互。交流電力線與直流電力線的耦合電路會有所區別，需分別介紹。
a. 交流應用
對于交流應用，電力線耦合電路如圖6所示，包含低壓側電容CLV、變壓器T、高壓側電容CHV，以及高壓側電感LHV。其中CLV的作用主要是隔絕低壓側偏置直流電壓，該電容應對高頻信號呈現低阻抗，常用10μF電容，其耐壓值應大于稍后介紹的TVS鉗位電壓值。而CHV與變壓器T繞組電感構成分壓器，CHV承受低頻交流大電壓VAC，而高頻信號經變壓器耦合到低壓側。CHV的大小要根據無功功率限值VAlimit來設定：
(8)
其中fP為工頻，CHV的耐壓值應高于電力線電壓。但根據VAlimit設置的CHV可能帶來較大的阻抗，從而導致驅動負載的能力不足，所以需要輔以LHV維持電力線路低阻抗，對于SunSpec，可以認為兩載波頻率fm和fs的中心頻率為fb=137.5kHz，從而可以確定LHV的取值：
(9)
至于變壓器T的匝數比取值，可以根據負載獲得PA最大輸出功率的需求進行匹配。假設VPA_out_peak和IPA_out_peak分別是PA輸出最大電壓和電流，高壓側等效負載為Rload，變比可參考下式：
(10)
圖6. 交流耦合電路
b. 直流應用
在低壓直流應用中，可以不需要變壓器，僅以電容CDC耦合電力線與模擬前端電路，如圖7所示，直流母線電壓為TPS43060生成的24V，而耦合電容CDC常取為10uF，其額定電壓需大于直流母線電壓。另外，由于直流線路為低阻抗線路，且TPS43060輸出端對于高頻信號也呈低阻抗，PA輸出信號可能會從直流線路進入直流電源然后被拉低，從而極大影響PA輸出擺幅，因此需要在電源側串聯電感LDC以提高電源輸出阻抗，如圖中的680uH，對SunSpec中心頻率的阻抗達到587Ω。需注意的是，此處為低壓直流場合，基于電容耦合，電力線側的地可與AFE031的地相接。
若應用于高壓直流場合，應避免兩地直接相連，須重新采用變壓器進行隔離耦合，可參考圖8所示的EVM板Boost-AFE031框圖。
圖7. 低壓直流耦合電路
圖8. 通用直流耦合電路
（4）保護電路
下面以直流應用的保護電路為例進行說明。直流應用的保護電路如圖9所示。其中TVS管是瞬態二極管，防止瞬間大電壓損壞AFE031，TVS的鉗位電壓應稍大于PA_Vs/2，要在確保不誤觸發的前提下提高保護的可靠性。肖特基二極管D1-D2的作用是抑制持續過電壓對AFE01的影響。而由于D1-D2具有結電容，結電容的不平衡將導致直流偏壓不能維持在PA_Vs/2，分壓器Rb1-Rb2的作用正是要改善這種情況，使PA輸出有正確的直流偏置。穩壓管Z的作用是穩定AFE031的PA供電電壓PA_Vs。Lo-Co-Ro組合作為一個額外的噪聲或振鈴吸收器，選取的經驗值為Ro=4.7Ω，Co=1nF，Lo=1mH。
圖9. 保護電路
四． 測試結果及總結
基于AFE031構建SunSpec PLC系統進行測試驗證，圖10和圖11分別是指令傳輸波形以及發送不同載波時對應的波形頻譜。可見該系統能順利執行SunSpec PLC通信功能，而且諧波含量少，確保了PLC通信的可靠性。
AFE031作為一款PLC模擬前端器件，支持包括SunSpec在內的多種PLC協議，能方便地實現可靠的PLC通信功能。其優勢還在于有較大的供電電壓范圍、較大輸出電流、可檢測低至20μVrms信號的接收靈敏性。在系統設計時，可根據選定的通信方式，通過SPI接口配置AFE031寄存器，并相應地取定外圍濾波器參數，最后加上電力線耦合電路以及必要的保護電路即可完成系統構建。
圖10. 傳輸波形實驗結果
圖11. (a) fm載波頻譜，(b)fs載波頻譜
如需獲取AFE031相關數據手冊及技術文檔，請瀏覽：
https://www.ti.com.cn/product/cn/AFE031#design-development##all。
DAC模式下系統原理圖：
https://www.ti.com.cn/cn/lit/df/tidrw81/tidrw81.pdf?ts=1595239888968&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com.cn%252Ftool%252Fcn%252FTIDA-060001
PWM模式下系統原理圖：
https://www.ti.com.cn/cn/lit/df/tidrw82/tidrw82.pdf?ts=1595239891726&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com.cn%252Ftool%252Fcn%252FTIDA-060001
如需查看AFE031 EVM板及相關用戶指南，請瀏覽：
https://www.ti.com.cn/tool/cn/BOOSTXL-AFE031-DF1。
如需了解SunSpec快速關斷發送和接收PLC系統參考設計，請瀏覽：
https://www.ti.com.cn/tool/cn/TIDA-060001。
如需獲得其他技術支持，請瀏覽E2E中文支持論壇：
https://e2echina.ti.com/blogs_/b/analogwire?keyMatch=E2E&tisearch=Search-CN-everything
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