TI博文--电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述

1万 · 2020-10-14 21:49

AFE031是一款应用于电力线通信的模拟前端器件，可以作为电力线通信系统的收发器。本文将从AFE031应用背景、基本框架及系统设计三个方面进行介绍。

一．应用背景

电力线通信（Power Line Communication, PLC）是一种利用电力线进行数据信息传输的通信技术，其基本系统框图如图1所示。数字信号经调制后以载波形式发送，再经PLC收发器进行调理后，加载到电力线上进行传输，而接收则是一个反向过程。SunSpec快速关断协议是专门针对光伏系统快速关断功能制定的PLC协议。SunSpec规定，调制方法采用B-FSK（二进制频移键控），B-FSK调制原理如图2所示，SunSpec指定的两种载波频率分别为fm=131.25kHz，fs=143.75kHz，处于窄带通信的CENELEC B/C/D频段中。另外，SunSpec指定发送的两类有效指令包括了关断指令及正常工作指令，一个指令的完整发送周期为1070.08ms。详细的FSK原理介绍及SunSpec通信参数规定请看TIDA-060001。

图1. PLC系统框图

图2. FSK调制原理

PLC的收发器由模拟前端器件构成，该环节对MCU发送的数字信号或从电力线接收到的载波信号进行调理，从而保证信号能准确、有效、可靠地在电力线上进行传输。而AFE031正是一款优质的PLC模拟前端器件，可用于构建支持SunSpec等协议的PLC系统，其与MCU的接口也如图1所示。

1万 · 2020-10-14 21:51

二． AFE031基本概述

AFE031内部高度集成，图3是AFE031的功能框图，其中，红圈标示了PLC的Tx模块，蓝圈标示了PLC的Rx模块，另外，紫圈标示了其他辅助功能模块，内部资源丰富。

Tx模块负责对发送路径信号进行处理，其包含数模转换器DAC、增益可调放大器Tx_PGA、带宽可调低通滤波器Tx_Filter以及功率放大器PA。在Tx模块内，待发送信号被放大和滤波后送入功率放大器PA，PA以6.5V/V的固定增益进一步将信号放大后输出，驱动负载。

Rx模块负责对接收路径信号进行处理，接收路径上的环节依次是增益可调放大器Rx_PGA1、带宽可调低通滤波器Rx_Filter 、可调增益放大器Rx_PGA2。接收信号经过放大、滤波处理后送入MCU的ADC以还原数字信号。

MCU经SPI接口可对AFE031寄存器进行配置从而改变Tx模块及Rx模块的放大器及滤波器参数，针对SunSpec应用，Tx和Rx的滤波器可设置为CENELEC B/C/D档，对应截止频率为145kHz。更多MCU与AFE031接口方式及调参方法请浏览SBOA130A及TIDA-060001。

AFE031的优势可以总结如下：支持包括SunSpec在内的多种协议；供电PA_Vs范围大，为7-24V；输出电流可达1.5A；接收灵敏性好，可检测到低至20 μVRMS信号；高度集成，资源丰富；配置灵活。

以上对AFE031基本框架、主要模块功能作用以及优势做了一个基本的介绍，关于各模块参数值、工作原理、寄存器配置的详细介绍请参考AFE031数据手册。

图3. AFE031功能框图

1万 · 2020-10-14 21:51

三．基于AFE031的SunSpec PLC系统设计要点

构建基于AFE031的SunSpec PLC系统有几个部分要重点考虑： Tx路径、Rx路径、电力线耦合电路、保护电路，下面将分别对这几个部分的外围电路设计要点进行介绍。

（1）Tx路径

AFE031支持两种Tx模式，分别是DAC模式和PWM模式，两者的连接方式及外围电路设计都有所差异，如图4(a)和图4(b)所示。

图4. Tx路径. (a) DAC 模式，(b)PWM模式

两种模式都需设置PA输入端交流耦合电容CIN以及PA限流值设置电阻RSET。而CIN作为高通滤波器，其取值决定于用户需要的截止频率fHP。SunSpec的较低频率fm=131.25kHz，为预留一定裕量，应设置fHP应小于fm，CIN的计算公式为：

(1)

而RSET串接于PA_ISET引脚，RSET与限流值ILIM的关系式为：

(2)

两种模式的区别在于，DAC模式下，MCU会通过快速中断给AFE031发送正弦波离散值，虽然该过程会占用较多CPU资源，但传送信号经DAC转换后，谐波含量很小，无需设置太多外围滤波器；而PWM模式下，MCU直接通过外设ePWM给AFE031发送PWM波，这种模式下，MCU的配置很简单，但信号的谐波含量较大，需要设置外围滤波器，如图4(b)所示的RC低通滤波器Fd1和Fd2，可加强滤除PWM波的高次谐波。RC低通滤波器推荐使用电阻Rd为510Ω，截止频率为fL，fL应大于待传送信号频率。而SunSpec协议的最大载波频率为fs=143.75kHz，所以fL应大于fs，对应的Cd1和Cd2的设置可参考以下公式：

(3)

（2）Rx路径

Rx路径如图5所示，Rx路径上，接收信号先后经过外围带通滤波器F1及AFE031内部Rx模块。

由于电力线工作环境复杂， AFE031接收到的信号可能含有各种干扰，因此，有必要为Rx路径设置一个外围的带通滤波器F1，F1是四阶带通滤波器，其设计可遵循以下原则：首先选定滤波器特征阻抗Zc，该值与传输线阻抗匹配，对于PLC应用，可设定为1kΩ；然后确定电阻大小，两电阻R1、R2起到分压作用，当选择R1=R2=Zc，信号有-6dB的衰减，若选择R1=Zc，R2=10Zc，则信号有接近0dB的增益；最后可按照以下公式确定剩下的LC参数：

(4)

其中f1是带通滤波器的低频截止频率，f2是带通滤波器的高频截止频率，针对SunSpec的应用，f1应小于fm，f2应大于fs。比如可选择C1=1.7nF，C2=1nF，L1=1.2mH，L2=1.5mH。

此外应注意的是，Rx_Filter是一个单位增益四阶低通滤波器，需要依靠两个外部辅助电容来正确配置滤波器，对于SunSpec所处的CENELEC B/C/D频段，两电容设置分别是CR1=270pF，CR2=560pF。

图5. Rx路径

（3）电力线耦合电路

电力线耦合电路用于连接AFE031与电力线，使得信号能在两者之间交互。交流电力线与直流电力线的耦合电路会有所区别，需分别介绍。

a. 交流应用

对于交流应用，电力线耦合电路如图6所示，包含低压侧电容CLV、变压器T、高压侧电容CHV，以及高压侧电感LHV。其中CLV的作用主要是隔绝低压侧偏置直流电压，该电容应对高频信号呈现低阻抗，常用10μF电容，其耐压值应大于稍后介绍的TVS钳位电压值。而CHV与变压器T绕组电感构成分压器，CHV承受低频交流大电压VAC，而高频信号经变压器耦合到低压侧。CHV的大小要根据无功功率限值VAlimit来设定：

(8)

其中fP为工频，CHV的耐压值应高于电力线电压。但根据VAlimit设置的CHV可能带来较大的阻抗，从而导致驱动负载的能力不足，所以需要辅以LHV维持电力线路低阻抗，对于SunSpec，可以认为两载波频率fm和fs的中心频率为fb=137.5kHz，从而可以确定LHV的取值：

(9)

至于变压器T的匝数比取值，可以根据负载获得PA最大输出功率的需求进行匹配。假设VPA_out_peak和IPA_out_peak分别是PA输出最大电压和电流，高压侧等效负载为Rload，变比可参考下式：

(10)

图6. 交流耦合电路

b. 直流应用

在低压直流应用中，可以不需要变压器，仅以电容CDC耦合电力线与模拟前端电路，如图7所示，直流母线电压为TPS43060生成的24V，而耦合电容CDC常取为10uF，其额定电压需大于直流母线电压。另外，由于直流线路为低阻抗线路，且TPS43060输出端对于高频信号也呈低阻抗，PA输出信号可能会从直流线路进入直流电源然后被拉低，从而极大影响PA输出摆幅，因此需要在电源侧串联电感LDC以提高电源输出阻抗，如图中的680uH，对SunSpec中心频率的阻抗达到587Ω。需注意的是，此处为低压直流场合，基于电容耦合，电力线侧的地可与AFE031的地相接。

若应用于高压直流场合，应避免两地直接相连，须重新采用变压器进行隔离耦合，可参考图8所示的EVM板Boost-AFE031框图。

图7. 低压直流耦合电路

图8. 通用直流耦合电路

（4）保护电路

下面以直流应用的保护电路为例进行说明。直流应用的保护电路如图9所示。其中TVS管是瞬态二极管，防止瞬间大电压损坏AFE031，TVS的钳位电压应稍大于PA_Vs/2，要在确保不误触发的前提下提高保护的可靠性。肖特基二极管D1-D2的作用是抑制持续过电压对AFE01的影响。而由于D1-D2具有结电容，结电容的不平衡将导致直流偏压不能维持在PA_Vs/2，分压器Rb1-Rb2的作用正是要改善这种情况，使PA输出有正确的直流偏置。稳压管Z的作用是稳定AFE031的PA供电电压PA_Vs。Lo-Co-Ro组合作为一个额外的噪声或振铃吸收器，选取的经验值为Ro=4.7Ω，Co=1nF，Lo=1mH。

图9. 保护电路

1万 · 2020-10-14 21:56

四．测试结果及总结

基于AFE031构建SunSpec PLC系统进行测试验证，图10和图11分别是指令传输波形以及发送不同载波时对应的波形频谱。可见该系统能顺利执行SunSpec PLC通信功能，而且谐波含量少，确保了PLC通信的可靠性。

AFE031作为一款PLC模拟前端器件，支持包括SunSpec在内的多种PLC协议，能方便地实现可靠的PLC通信功能。其优势还在于有较大的供电电压范围、较大输出电流、可检测低至20μVrms信号的接收灵敏性。在系统设计时，可根据选定的通信方式，通过SPI接口配置AFE031寄存器，并相应地取定外围滤波器参数，最后加上电力线耦合电路以及必要的保护电路即可完成系统构建。

图10. 传输波形实验结果

图11. (a) fm载波频谱，(b)fs载波频谱

如需获取AFE031相关数据手册及技术文档，请浏览：

https://www.ti.com.cn/product/cn/AFE031#design-development##all。

DAC模式下系统原理图：

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模式下系统原理图：

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板及相关用户指南，请浏览：

https://www.ti.com.cn/tool/cn/BOOSTXL-AFE031-DF1。

如需了解SunSpec快速关断发送和接收PLC系统参考设计，请浏览：

https://www.ti.com.cn/tool/cn/TIDA-060001。