電力線通信設備電源端口浪涌防護電路設計

榮國成，王昊，沙莎

（1.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；2.長春電子科技學院 電子工程學院，長春 130114）

電力線通信（Power Line Communication）技術簡稱PLC技術，是利用交流電線傳輸數據信號的一種通信方式［1］。通常用于家庭內部數據傳輸，其特點是充分利用室內隨處可見的電源插座，免除部署五類線的煩惱，在傳輸性能、穿墻能力、覆蓋范圍等方面優于WiFi，已經和五類線、WiFi等局域網技術并列成為家庭網絡的主流技術，已在歐美日等國得到廣泛應用［2］。

電力線載波通信技術的智能家庭終端設備的典型應用如圖1所示，通過FTTH家庭組網模式，采用GPON光纖接入方式，使用PLC終端設備可以將同一個電表下的任一電源插座轉換為網絡端口。利用現有的電力線即可完成網絡構建，無需重新鋪設網線，真正實現即插即用，顯著節約網絡建設成本和加快網絡建設速度。另外，集成了無線網絡功能的PLC終端設備還解決了目前無線網絡信號在室內傳輸的穿墻和覆蓋問題，方便用戶在室內不受位置限制地使用無線網絡。隨著網絡應用需求的持續增長以及PLC技術的不斷完善，PLC終端設備的應用前景十分廣闊［3］。

圖1 電力線通信典型室內組網形式

由于受雷擊或電力負載的影響，電力線上會產生危害設備安全的浪涌干擾［4-6］。為了保護設備不因浪涌干擾而損壞，設備交流電源輸入端口必須具有符合要求的浪涌防護能力（包括共模防護和差模防護）［7-8］。對于PLC終端而言，交流電源輸入端口也兼作通信端口使用：工作頻率為50～60 Hz的交流電通過該端口輸入至PLC終端，而工作頻率為2～200 MHz的PLC高速信號也通過該端口進行傳輸。因此要求該端口的浪涌防護電路不但能夠提供足夠的浪涌防護能力，而且對載波在電力線上的高速信號的衰減可以忽略不計，從而保證PLC終端設備的通信能力。另外，作為一款室內用戶終端，浪涌防護電路設計應服從結構微型化和低成本設計的整體要求。

目前，PLC設備的目標市場集中于國內的社會需求和運營商需求，因此電源端口浪涌防護設計目標以符合中國電信企標Q/CT 2394規定的要求為準［9］，即電源端口浪涌防護電路要求具有±4 kV的差模和共模浪涌防護能力。

1 基本電路及浪涌干擾影響分析

1.1 PLC設備電源端口基本電路

采用L、N和PE三根線傳輸信號的通信方式具有兩個數據通道，能夠提供更高的傳輸速率，因此電力線載波電源端口基本電路采用圖2所示的連接方式。該基本電路從功能上實現了PLC信號與交流電的分離與合流，這也使得電力線載波電源端口成為一個多功能端口：既是交流電源輸入端口，又是通信端口。

圖2 PLC設備電源端口基本電路

電力線載波可通過PLUG獲取220 V交流電以及傳輸 PLC信號［10］。電感 L1和 L2對低頻的220 V交流電呈現低阻抗，對高頻的PLC信號呈現高阻抗，目的將220 V交流電傳輸至AC/DC電源轉換電路，同時實現PLC信號與電源轉換電路的隔離。電容C1和C2對高頻的PLC信號呈現低阻抗，對低頻的220 V交流電呈現高阻抗，目的將PLC信號耦合至PLC電路，阻止220 V高壓進入PLC電路。

1.2 浪涌電路影響

通過對元器件參數的設置以及電路的分析，分別模擬差模浪涌干擾電路以及共模浪涌干擾電路如圖3和圖4所示。

圖4 共模浪涌干擾模擬電路

其中V1代表浪涌干擾電壓，R2為源內阻（差模為 2 Ω，共模為 12 Ω），C2為浪涌干擾耦合電容（差模為 18 μF，共模為 9 μF），R3為 PLC 線路阻抗。圖3中，V4為 220 V、50 Hz的交流電，L4和C3組成了CDN網絡，用來隔離交流電和浪涌干擾。

圖3 差模浪涌干擾模擬電路

通過Pspice仿真模擬觀察電源端口上的浪涌干擾對后級電路的影響如圖5與圖6所示。

圖5 差模浪涌干擾仿真

圖6 共模浪涌干擾仿真

圖5中可觀察出差模浪涌干擾發生在220 V交流電的波峰位置，其中V［n002］表示差模情況下電容C2耦合輸出的浪涌干擾電壓，V［n003］是C4在R1上的電壓曲線，V［n006］表示R3的電壓曲線，V［n001］是交流電源V4輸出的220 V波形曲線。可以看出，差模浪涌干擾進入電力線載波電源端口后，由于PLC信號耦合電容的高阻抗作用，很大一部分浪涌干擾進入了電源通路。電源通路上的干擾電壓峰值只略小于浪涌電壓峰值，并且還出現了疊加在220 V交流電上的LRC振蕩，而進入到PLC通路的干擾電壓峰值大約為浪涌電壓峰值的0.1倍左右。

圖6顯示的是共模浪涌干擾的仿真結果，V［n006］是共模情況線下C2耦合輸出的浪涌干擾電壓曲線，V［n007］是R3上的電壓曲線。由于電力線的PE線僅被PLC通信線路使用，因此共模浪涌干擾理論上僅與PLC線路有關。同時仿真結果顯示，PLC耦合電容對浪涌干擾具有較大的阻隔作用，進入PLC線路的干擾電壓峰值約為浪涌電壓峰值的0.2倍。

以上仿真皆為浪涌電壓峰值設定為1 kV時的仿真結果，當浪涌峰值電壓為4 kV時，浪涌電壓將超過電力線載波單板上幾乎所有器件的耐壓水平，如果不使用防護電路必然會導致器件被擊穿和燒毀。

2 雙級保護電路設計

2.1 電力線載波電源端口電路設計

綜合考慮差模與共模浪涌干擾，PLC電源端口防護電路共設有二級防護電路，如圖7所示。

圖7 電力線載波設備電源端口浪涌防護電路

浪涌防護電路在原有的基本電路中引入壓敏電阻（MOV）、雙向順向電壓抑制器（TVS）以及三電極氣體放電管（GDT）等元器件。由MOV1和MOV2以及GDT1組成第一級防護，其中MOV1和MOV2用于GDT的熄弧，MOV3和TVS分別為電源線路和PLC線路的第二級防護，去耦電感L1、L2和變壓器T1、T2同時也作為第一級防護和第二級防護的退耦器件。

GDT的阻抗超過1 GΩ，遠大于壓敏電阻阻抗10 MΩ，因此第一級防護電路中，初始浪涌電壓幾乎全部施加在GDT1上。當浪涌電壓超過GDT的動作電壓后，GDT1導通，接近短路，于是浪涌電壓就全部施加在壓敏電阻上，并且導致壓敏電阻導通。當第一級防護電路的殘壓導致第二級防護器件動作時，第二級防護進一步降低向后級傳輸的過電壓峰值，從而對后級電路形成保護，防止過電壓損壞設備。

2.2 器件特性

在滿足通流量要求的前提下，MOV1和MOV2的伏安特性要保證浪涌過電壓干擾消除后氣體放電管GDT1能夠有效熄弧。當流經GDT1的電流小于輝弧轉換電流（glow to arc transition current）時，GDT1從弧光放電轉換為輝光放電，當交流電過零時，GDT1兩端電壓為0，實現有效熄弧。

當共模浪涌通過電壓干擾消除后，線路上僅有220 V交流電。此時GDT1仍處于弧光放電，GDT1上的電壓為弧光電壓Varc約為10 V，考慮到線路電壓10%的變化，那么壓敏電阻MOV1或者MOV2兩端的電壓應滿足為：

壓敏電阻MOV3直接跨接在220 V交流線的L和N之間，為兼容以及確保GDT1能夠完成輝弧轉換，考慮到線路電壓的10%變化，以及MOV動作電壓的10%容差，壓敏電阻的直流動作電壓不應小于：

壓敏電阻放置于去耦電感后級，是為了避免跨接在電力線上壓敏電阻較大的寄生電容C對PLC信號的衰減，從而影響PLC通信性能。假定壓敏電阻寄生電感L為5nH（包括引線），其寄生電阻忽略不計，則可通過式（1）計算出正常狀態下壓敏電阻阻抗隨頻率的變化，根據式（2）可計算出壓敏電阻對PLC信號的衰減大小（假定源和負載阻抗均為75 Ω）。

氣體放電管的寄生電容不大于1.5 pF，因此MOV1、MOV2和GDT1的串聯電路引入的寄生電容也不會超過1.5 pF，考慮寄生電感的影響，對PLC信號的衰減不會超過3 dB。TVS的寄生電容一般為3～5 pF，最低可為0.5 pF，對PLC信號的衰減也不會超過4 dB。由于隔離電感的作用，放置于其后的MOV3對PLC信號的影響可以忽略不計。

3 驗證測試結果

通過使用標準的浪涌信號發生器產生4 KV、1.2/50 μs波形的信號，對交流電源端口施加正、負各5次的浪涌脈沖測試，且每兩次脈沖間隔時間不少于一分鐘。對電源線和信號線應分別在不同組合的共模和差模狀態下施加脈沖沖擊，電源端口的電壓波形分別如圖8和圖9所示。

圖8 差模4 kV浪涌試驗時電力線載波電源端口L-N電壓波形

圖9 共模4 kV浪涌試驗時電力線載波電源端口L-PE和N-PE電壓波形

從圖中L-N以及L-PE曲線來看，浪涌干擾導致了疊加在220 V上振蕩電壓的產生，與圖5、圖6的仿真結果相對應，表明了仿真技術在浪涌防護電路設計上的可行性。

分別采用焊接防護器件PLC設備和未焊接防護器件PLC設備的兩種情況下進行組網對比測試，采用信噪比和建鏈速度專用監控測試工具對組網內的兩個PLC設備進行對比測試，兩臺PLC設備通過濾波器和衰減器進行互聯，測試傳輸信號的信噪比和建鏈速率。在實驗室的環境下，采用濾波器對220 V電源和載波信號進行濾波分離，電力線載波信號通過同軸線和可調式衰減器進行連接兩個PLC設備，模擬真實環境進行測試。以下數據為可調衰減器衰減80 dB的情況下的信噪比和建鏈速度對比，分別如圖10-圖13所示。

圖10 未焊接防護器件時傳輸速率

圖11 未焊接防護器件時信噪比

圖12 焊接防護器件后傳輸速率

圖13 焊接防護器件后信噪比

圖10-圖13分別表示未焊接防護器件與焊接防護器件的對比，在接入防護器件后建鏈速度和信噪比無明顯差異，考慮受環境的影響，防護器件對PLC信號的影響幾乎可以忽略不計。

4 結論

電力線通信設備的電源端口作為一個新型的多功能端口，浪涌防護電路設計不但要考慮防護能力，還要求不能影響設備的通信能力，同時還應兼顧成本要求。本文通過Pspice仿真軟件對電路進行預仿真，提出符合需求的浪涌防護電路設計方案，通過實際測試完全滿足不引入噪聲且滿足浪涌指標的需求。這些方法并不僅僅適用于該設備，對其它可靠性設計也有一定的借鑒意義。