DC 应用的电力线通信实施

引言

电力线通信（PLC）是一种通过现有电力线缆发送数据的通信技术。该技术可采用半双工方式在PLC节点之间传输电力与数据。由于能通过相同线路同时传输电力及数据，因此PLC技术无需使用额外线路与设备互联。PLC可为各种广泛应用提供低成本通信媒介，充分满足可能采用其它技术组网成本过高的环境需求。作为通信技术，PLC可分为两大类：

●宽带PLC适合互联网等高速宽带网络连接。它一般工作在较高频率（1.8至250MHz）

和高数据速率（高达数百Mbps）下，多为较短距离应用使用。

●窄带PLC适用于需要窄带控制或低带宽数据采集的应用，这些应用注重低成本和高可靠性。它一般工作在较低频率（3到500KHz）和较低数据速率（几百kbps）下，具有较大的覆盖范围（达数公里），该覆盖范围可通过中继器扩大。

根据底层电力线特征，PLC还可进一步细分为AC电力线PLC和DC电力线PLC.

世界各地许多公共事业单位都选择AC线路窄带PLC用于其智能电网项目。他们通过按日、甚至按设备或应用监控用电情况，提供能够激励消费者调整用电的定价结构，从而可减轻峰值负荷，避免兴建新的电厂。

PLC在智能电网应用中的广泛采用已引起对AC电力线PLC的高度重视。不过在家庭网络、照明和太阳能应用以及交通运输车辆（飞机、汽车和列车中的电子控制）中，DC电力线窄带PLC也在兴起。在这些应用中使用PLC，可降低布线复杂性、重量以及通信的最终成本。

在本文中，我们将重点介绍DC电力线PLC的使用，并提供可帮助客户迅速有效采用这一技术的参考设计。

系统集成人员常提出这样的问题：如何比较DC电力线PLC和低功耗无线技术的优劣？虽然DC线路PLC和低功耗无线都不需要新电线布置，但使用PLC时，连接或位于地下，或穿越墙壁，或处于墙角。该通信通道归运营商或公共事业单位所有，因此不存在共享带宽风险。PLC没有视线限制，不受天气影响。

DC PLC解决方案的高灵活性

开发一款有效PLC解决方案有其难度。一般电力线噪声大，需要稳健的系统架构才能确保数据可靠性。每个最终应用及工作环境都不同，因此需要灵活的设计来适应各种不同的条件。系统设计人员需要一款高灵活平台，其不仅可帮助他们根据每种应用的具体要求优化设计，而且还能让设计适应未来出现的新标准和新市场机遇。通过这种方式，可以在多种应用中重复使用知识产权，加速开发及产品上市进程，并不断扩大市场机遇。

实现高灵活性的关键点是软硬件的模块化架构。将复杂的PLC系统拆分为多个独立子系统，开发人员可在无需全部重新设计整个系统的情况下修改设计的某个方面（比如所使用的调制方案或网络协议）。各种可实现应用的部分实例包括：

●调制方案：软硬件层面的高灵活性有助于开发人员为具体应用实施最高效率的调制方案。例如针对窄带通信提供的几个调制方案，包括展频移键（S-FSK）与正交频分多路复用（OFDM）调制等；

●通信协议：为实现互操作性，设备可能需要符合具体协议标准。开发人员通过使用高灵活平台，既可轻松实施常用的PLC标准（包括S-FSK （IEC61334）、PRIME和G3），也可实施能满足其应用特定需求的定制协议。

图1：PLC通信协议的比较

现有标准对窄带DC PLC应用规定很少，而且在许多应用中网络处于独立状态。在这些情况下，可以使用较为简单的通信协议栈。这类较简单专有协议栈的一个具体实例是德州仪器（TI）的PLC-Lite（图1）。该协议栈特别适合不需要G3及PRIME复杂性、但仍然需要稳健通信通道的低成本环境及应用。

对于楼宇网络（只需几Kbps）中的简易灯泡或墙壁开关而言，PLC-Lite是理想的解决方案。PLC-Lite不仅提供21Kbps的最大数据速率，而且还支持全频带和半频带模式。它可针对某种类型的干扰提供更高的稳健性，其中包括可影响G3链路的窄带干扰。PLC-Lite包含简单的载波感测多路访问与冲突避免（CSMA/CA）介质访问控制（MAC）层，其能够与任何应用协议栈集成。

由于结构简单，数据速率较低，因此PLC-Lite每链路的实施成本明显较低。此外，它还可带来极高的灵活性，允许设计人员在行业标准限制以外定制通道链路。图2是PLC-Lite完整特性集的总括。

图2：TI PLC-Lite的特性

电力线接口挑战

对于DC PLC实施而言，在系统中连接电力线会带来另一重需要解决的挑战。部分特定问题方面包括：

●多重节点支持的阻抗控制；

●任何电源开关的PLC滤波；

●实现可靠AC耦合所需的电力线耦合保护电路。

（1）多节点支持

大多数DC PLC实施需要支持通过单根电力线总线连接的大量节点（几十个到几百个），以带来实用性。要让传输信号在没有明显衰减的情况下达到所有节点，主要要求体现为我们熟悉的等式：

源阻抗 << 负载阻抗（等式 1）

我们会在参考设计中说明如何达到这一点。对于以下分析，假设 PLC-Lite 的调制频率大约为 40KHz。我们随后可计算 PLC 节点的源阻抗（等式 2）。