電力線載波通信ＥＭＩ濾波電路研究

摘 要：電力線通信是一個正在發展的嶄新學科，但由于電力線傳輸的無屏蔽性，給電力線通信帶來嚴重的電磁干擾與電磁兼容問題。在深入分析了電力線通信系統產生電磁干擾的主要原因的基礎上，對EMI濾波電路進行了設計研究，并通過實驗驗證了該濾波網絡對于抑制電力線載波通信EMI的可行性。

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關鍵詞：電力線載波通信;電磁兼容;共模干擾;EMI濾波

中圖分類號：TN914 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)11-170-02

Research on EMI Filter Circuit of Power Line Carrier Communication

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ZHAO Zhipeng，LUO Yinghong

(School of Electronic and Information Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，730070，China)

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Abstract：Power Line Communication(PLC) is a brand-new subject，which develops rapidly in rescent years.However，as the power line transmission without shielding，There are serious EMI and EMC problems.Based on the in-depth analysis of the main reason that the PLC system produces electromagnetic interference，this paper researches the design of the EMI filter circuit，and through experiments show that the filter circuit for inhibiting PLC EMI feasibility.

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Keywords：power line carrier communication;electromagnetic compatibility;common-mode interference;EMI filter

基金項目:甘肅省自然科學基金資助項目(3zs062-b25-013)

電力線通信技術目前發展非常迅速，現在已經進入初步應用階段。PLC系統充分利用電力系統的廣泛線路資源，通過OFDM等技術可以在同一電力線不同帶寬的信道上傳輸數據。 但是由于電力線傳輸的無屏蔽性，電網的穩定性比傳統的通信網差得多，使得電力線通信線路的電磁環境極為復雜，這就給電力線通信系統提出了更高的電磁兼容要求，電磁兼容技術也成了實現電力線通信所需的關鍵技術之一。本文在深入分析了電力線通信系統產生電磁干擾的主要原因的基礎上，對EMI濾波電路進行了設計研究，并通過實驗驗證了該濾波網絡對于抑制電力線載波通信EMI的可行性。 

1 電力線載波通信電磁兼容問題分析

1.1 電磁兼容分析模型

一個電子系統如果能與其他電子系統相兼容的工作，也就是不產生干擾又能忍受外界的干擾則稱為該電子系統與區環境電磁兼容。對于一般的電磁兼容問題的基本分析模型如圖1 所示。

對于PLC系統來說，干擾源要整體考慮。不僅包括PLC設備，而且要考慮當信號加到電力線上時，由于電力線是一種非屏蔽的線路，有可能作為發射天線對無線通信和廣播產生不利影響。此外還要考慮多種PLC 設備間的相互影響。PLC的耦合途徑是非常復雜的，是不同的途徑相互作用的結果。總體上分為兩種，一種是空間的輻射，對應的被干擾設備是無線通信和廣播信號；另一種是沿電力線的傳導騷擾，主要造成對電能質量的影響。因此PLC 系統的電磁兼容問題涉及多個PLC 系統的共存，以及與無線網絡的共存等。

圖1 電磁兼容基本分析模型

1.2 PLC系統電磁干擾產生機理

由于電力線的特性和結構是按照輸送電能的損失最小并保證安全可靠地傳輸低頻(50 Hz)電流來設計的，不具備電信網的對稱性、均勻性，因而基本上不具備通信網所必須具備的通信線路電氣特性。而PLC系統所產生的電磁干擾問題正是由于電力線的這種對地不對稱性產生的^[1]。

電力線產生干擾的機理有兩種(如圖2)，一種是電力線中的信號電流Id(差模電流)回路產生的差模干擾，另一種是電力線上的共模電流Ic產生的共模干擾。差模電流大小相等方向相反，因此一般近似認為由其產生的電磁場相互抵消。而共模電流的方向是一致的，其產生的電磁場相互疊加^[2]，所以電力線的干擾主要來自共模干擾。

1.3 改善PLC系統電磁兼容性的主要措施

(1) 充分利用或改善PLC系統電力線的對稱性

PLC系統的輻射強度取決于PLC網絡或其電纜的對稱性。高度對稱線路的特征是異模電流與共模電流的比值很大，故輻射非常小。可以選擇對稱性好的導線，例如4芯電纜，但此法不適用于室內網絡，而且成本較高。

(2) 減小PLC系統中高頻信號的功率譜密度

減小PLC信號的功率譜密度(PSD)能降低輻射電平，但不影響總的發送功率。因此，PLC系統適宜采用寬帶調制技術，但其擴頻效率受電力線低通特性的限制。

(3) 合理選擇調制技術

OFDM是一種高效的調制技術，其基本原理是將發送的數據流分散到許多個子載波上，使各子載波的信號速率大為降低，從而提高抗多徑和抗衰落能力^[3]。

(4) 合理設計EMI濾波網絡

將濾波器安裝在緊鄰變壓器和緊鄰家庭用戶的連接點上，或者直接在電力線調制解調器內部引入濾波器^[4]。這樣既可以保持PLC信號的異模傳播，又可以阻止PLC信號進入輻射效率高的導線或其他附接設備。本文將主要對EMI濾波網絡進行研究設計。

圖2 電力線EMI模型

2 濾波電路設計

基于以上對于電力線通信電磁兼容性的分析，可以在電力線通信系統的收端接一個EMI濾波器，用以抑制系統所產生的共模干擾。由于兩根電力線不可能完全重合，也就是說差模電流所產生的電磁場不能完全抵消，所以在設計濾波電路時，也應考慮到差模干擾的抑制。

EMI濾波電路基本網絡結構如圖3所示。

圖3 EMI濾波電路基本結構

圖3中，差模抑制電容為C1和C2，共模抑制電容為C3和C4，共模電感為L，并將共模電感纏繞在鐵氧體磁芯圓環上，構成共模扼流圈。共模扼流圈對于共模信號呈現出大電感具有抑制作用，而對于差模信號呈現出很小的漏電感幾乎不起作用^[5]。由于干擾信號有差模和共模兩種，因此濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用。其基本原理為:

(1) 利用電容通高頻隔低頻的特性，將電源正極，電源負極高頻干擾電流導入地線(共模)，或將電源正極高頻干擾電流導入電源負極(差模)。

(2) 利用電感線圈的阻抗特性，將高頻干擾電流反射回干擾源。

3 實驗結果

在圖3濾波電路中取差模電容C1，C2為7 000 pF，共模電容C3，C4為0.015 μF，共模扼流圈磁芯采用錳-鋅鐵氧體，每路繞30匝，電感量為3.7 mH。

3.1 EMI濾波網絡濾波性能仿真

圖4為干擾噪聲隨頻率關系的模擬仿真，由此可見干擾信號的頻率越高，則干擾信號通過該濾波網絡后衰減越大。共模干擾的頻率一般在2MHz以上，所以說該濾波電路能對共模干擾起到良好的抑制作用。

圖4 干擾噪聲隨頻率關系

3.2 EMI濾波網絡輸出結果分析

當采用輸入為24 V，輸出為12 V，功率為25 W的開關電源模擬輸入信號時，用帶寬為20 MHz的示波器測得濾波前后信號紋波分別為50 mV和5 mV。由此可見該濾波網絡對干擾信號衰減了20 dB，良好地抑制了電路中所產生的干擾噪聲。

4 結 語

電力線通信技術作為一種強有力的手段，有著雄厚的發展基礎和廣闊的市場，應有其使用和生存的發展環境和空間。但是，低壓電力線并不是專門用來傳輸通信數據的，它的拓撲結構和物理特性都與傳統的通信傳輸介質(如雙絞線、同軸電纜、光纖等) 不同。它在傳輸通信信號時信道特性相當復雜，負載多、噪聲干擾強、信道衰減大，通信環境相當惡劣。目前還有很多亟待解決的問題，例如PLC的電磁輻射問題，調制技術和編碼技術的改進，通信信號衰減的抑制等。本文研究的EMI濾波電路旨在抑制接收端由于共模電流和差模電流產生的共模和差模干擾，今后還有待于結合電磁原理，在PLC設備和網絡的電路及電磁輻射特性等方面做深入研究。

參 考 文 獻

［1］張力波，柴守亮.寬帶電力線通信對無線通信的影響及其頻帶的管理［J］.中國無線電，2006:12-15.

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［2］Clayton R Paul.Introduction to Electromagnetic Compatibi-lity［M].John WileySons，Inc.1992.

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［3］張淑娥，孔英會，高強.電力系統通信技術［M］.北京：中國電力出版社，2005.

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［4］丁道齊.要正視和研究電力線通信技術發展中的關鍵問題［J］.電力系統通信，2003，24（4）:1-12.

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［5］呂仁清，蔣全興.電磁兼容性結構設計［M］.南京:東南大學出版社，1990.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。