复合耦合技术在低压电力线载波通信接口电路设计中的应用

摘要: 采用“电磁耦合”与“阻容耦合”相结合的“复合耦合技术”，建立了接口电路模型。分析并设计了基于ST7538 的低压电力线载波通信的接口电路，对接口电路进行仿真试验及结果分析。最后，对接口电路的主要性能:载波信号加载效率、幅频特性、通频带、隔离电力网220 V/50 Hz 的工频信号能力进行分析。

0 引言

电力线通信( Power Line Communication，PLC
PLC

PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 [全文]

)是以电力网作为信道，进行载波通信的一种有线通信方式。PLC 在欧洲( 德国、英国、瑞典等)发展得较快，最近，英国在电力线媒介开发方面取得了突破性进展，用户可通过电力线进入Internet网，从简单的数据传输提高到了网络联接。

中国电力系统也已组建国电通信中心，并向信息产业部正式申请了牌照。国家电力公司计划在2015 年建成全国统一的联合电力网通信系统。

但是，低压电力线是一种通信环境非常恶劣的信道，许多问题有待进一步研究。低压电力线传送着220 V/50 Hz 的电能，在低压电力线上并接了许多不同阻抗的用电器。低压电力线的这一固有特点，给低压电力线通信带来了很大的困难。因此，低压电力线通信必须首先解决以下2 个难题:

(1) 电力网50 Hz 的工频信号不能给载波通信系统带来太大的干扰，同时，考虑到整个通信系统的安全，必须进行强电隔离;(2) 低压电力线上并接的所有用电器的“统计载波阻抗”要高，以确保较高的载波信号加载效率。

上述问题，正是低压电力线通信的接口技术问题，以下从这两方面介绍其设计原理和实现方法。

1 接口电路的模型

根据低压电力线通信接口技术的要求:① 必须进行强电隔离;② 确保较高的载波信号加载效率。为此，就必须采用“电磁耦合”与“阻容耦合”相结合的“复合耦合技术”。接口电路模型如图1所示。

图1 接口电路模型。

该电路的关键物理量是2 个回路中的电流i1(t)和i2(t)。由基尔霍夫第二定律可得出该电路的数学模型:

　　式中，设i′ 、i″分别为i 的一、二阶导数，则：

　　对于式(1)，通过不同的处理将得到不同的数学模型。对图1 所示的双RLC 耦合回路进行去耦处理，得到2 个独立的RLC 串联回路。对式(1)求导，则可得到二元二阶方程组：

　　式(2)同时含有2 个未知函数i1( t) 和i2( t)的二阶导数，不便直接求解。

若将RLC 串联回路表示成二元一阶方程，则由2 个RLC 回路便可得到四元一阶方程组：

　　该方程组含有4 个未知数:i1( t)，i2( t)，uc1(t)，uc2( t)，其定解条件直接由电路的初始储能情况给出。当无初始储能时，为齐次初始条件，即：

　　设所有电路元件都是非时变性元件，则所对应的常系数线性一阶常微分方程组可转化成线性代数方程组进行求解。

通过对上述接口电路数学模型的分析、化简可知，基于“复合耦合技术”的接口电路模型，电路的主要参数是可以通过线性代数方程组进行求解，接口电路的原理清晰，计算复杂度较小，符合低压电力线载波通信要求，是简洁、可行的。

2 ST 7538 电力线接口电路的设计

2. 1 ST 7538 调制解调芯片

ST 7538 载波芯片是一款为家庭和工业领域电力线网络通信而设计的半双工、同步/异步FSK 调制解调器
解调器

解调器是调制式直流放大电路中的一个重要组成部分.负责把已放大了的交流电压还原为直流电压,其大小和极性与交流电压的幅度和相位要对应。 [全文]

芯片。ST 7538 内部集成了发送和接收数据的所有功能，通过串行通信，可以方便地与微处理器相连接，且只要通过耦合变压器
变压器
　　变压器（Transformer）是利用互感原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。变压器是变换电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。它由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。 [全文]

等少量外部器件，即可连接到电力网中。ST 7538功能强大、集成度很高，采取了多种抗干