电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计
other parts discussed in post： afe031， tps43060
作者：罗嘉林 实习工程师， 庞家华 华南区工程师 email： pangjiahua@ti.com
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。
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
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
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。
移动通信室分系统的优化和整治
电工布线有什么规律?
什么材质的智能门锁的安全性能相对较高
普天技术助力打造“坚强智能电网”
恒温恒湿试验箱的工作原理及保养注意事项
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计
影响助焊剂飞溅的因素有哪些？
通过Multisim 7仿真软件对负反馈放大电路的原理、参数及性能进行分析
为什么不看好科大讯飞
开关电源中开关管的功耗如何测量分析
新汉推出全系列工业母板，满足工业计算应用
英伟达推出高效25/50 Gb/s以太智能网卡，预计在2020年第三季度上市
9年风雨兼程 奥克斯空调与京东见证了双方的跨越式成长
同步通信和异步通信的基础介绍
5G时代通话业务发展趋势如何?
ClickHouse 联合创始人、前 Google 副总裁 Yury 到访杭州玖章算术公司，双方建立生态合作
哪个牌子的无线充电宝质量比较好？高质量的无线充电宝推荐
!甩卖 HP37718B HP37718A HP37717C
自从加入索尼LED背光技术 电视价格就一直只涨不降
国芯思辰｜海速芯32位MCU TM32F103K7替代STM32F103C8T6应用于塔机安全监控系统
作者：罗嘉林 实习工程师， 庞家华 华南区工程师 email： pangjiahua@ti.com
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。
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
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
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。
移动通信室分系统的优化和整治
电工布线有什么规律?
什么材质的智能门锁的安全性能相对较高
普天技术助力打造“坚强智能电网”
恒温恒湿试验箱的工作原理及保养注意事项
电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计
影响助焊剂飞溅的因素有哪些？
通过Multisim 7仿真软件对负反馈放大电路的原理、参数及性能进行分析
为什么不看好科大讯飞
开关电源中开关管的功耗如何测量分析
新汉推出全系列工业母板，满足工业计算应用
英伟达推出高效25/50 Gb/s以太智能网卡，预计在2020年第三季度上市
9年风雨兼程 奥克斯空调与京东见证了双方的跨越式成长
同步通信和异步通信的基础介绍
5G时代通话业务发展趋势如何?
ClickHouse 联合创始人、前 Google 副总裁 Yury 到访杭州玖章算术公司，双方建立生态合作
哪个牌子的无线充电宝质量比较好？高质量的无线充电宝推荐
!甩卖 HP37718B HP37718A HP37717C
自从加入索尼LED背光技术 电视价格就一直只涨不降
国芯思辰｜海速芯32位MCU TM32F103K7替代STM32F103C8T6应用于塔机安全监控系统