蘇宏?duì)I，李琳，彭書濤，廖培金
（西安交通大學(xué)電力系，西安710049）
摘 要：電力線通信中電壓瞬變的強(qiáng)大破壞能力及其出現(xiàn)的時(shí)間、位置無法預(yù)測，不僅使數(shù)據(jù)瞬間亂態(tài)、丟失，嚴(yán)重制約了高速數(shù)據(jù)的傳輸，還會導(dǎo)致電子產(chǎn)品的損壞。因此，電壓瞬變防護(hù)問題已經(jīng)得到越來越多設(shè)計(jì)者的重視。文章在指出防護(hù)的必要性的同時(shí)，還介紹了浪涌的產(chǎn)生和抑制技術(shù)，并重點(diǎn)介紹了兩種滿足高速電力線通信的浪涌抑制方法。
關(guān)鍵詞：浪涌；抑制器；電力線通信；調(diào)制解調(diào)器
1 引言
電力線通信技術(shù)（Power Line Communicatio－n（PLC）），是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號的一種通信方式。該技術(shù)是把載有信息的高頻加載于電流，然后用電線傳輸，接收信息的調(diào)制解調(diào)器（Modem）再把高頻從電流中分離出來，并傳送到計(jì)算機(jī)或電話接收機(jī)，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞。近幾年來，國內(nèi)外許多公司和科研機(jī)構(gòu)投入大量的人力和資金，已經(jīng)成功開發(fā)適用于在電力線上實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男滦彤a(chǎn)品。目前高速PLC已可傳輸高達(dá)10Mbps以上的數(shù)據(jù)，而且能同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)、語音、視頻和電力，有可能成就“四網(wǎng)合一”新趨勢。
低壓電力線信道十分惡劣，噪聲是低壓電力線上最大的干擾源。主要是用電設(shè)備產(chǎn)生的噪聲，其來源有設(shè)備開關(guān)切換、電器設(shè)備熱插拔產(chǎn)生的脈沖干擾以及電力線耦合的外界電磁波等。其中對通信影響最大的是脈沖干擾，尤其是電壓瞬變（通常稱為浪涌），其頻譜范圍很寬且幅度較高。電壓瞬變不僅影響電力線通信設(shè)備的正常工作，使數(shù)據(jù)瞬間亂態(tài)、丟失，嚴(yán)重制約了高速數(shù)據(jù)的傳輸，還會導(dǎo)致電子產(chǎn)品的損壞。其影響程度取決于沖擊電流的大小和設(shè)備的抗干擾程度。為使設(shè)備能夠正常工作，設(shè)計(jì)者應(yīng)在調(diào)制解調(diào)器的電源線、信號線以及電路中采取相應(yīng)的抑制技術(shù)。
2 浪涌抑制器
為了保證調(diào)制解調(diào)器通信數(shù)據(jù)高速，穩(wěn)定，可靠地傳輸，必須在調(diào)制解調(diào)器耦合部分對浪涌采取防護(hù)措施，最簡單的方法是將其直接接地。第二種防護(hù)方法是在調(diào)制解調(diào)器芯片的關(guān)鍵部位采用瞬態(tài)浪涌抑制器，使瞬態(tài)浪涌通過抑制器旁路到子系統(tǒng)地和大地，從而使芯片中的浪涌幅度大大降低。第三種防護(hù)方法是采用多個(gè)抑制器組合形式，構(gòu)成多級防護(hù)電路［1］。
2．1 抑制器的類型
（1）氣體放電管
氣體放電管（Gas Tube）工作原理為：當(dāng)線上感應(yīng)瞬態(tài)高壓時(shí)，促使放電管內(nèi)的氣體電離，使火線和零線短路，抑制差模電壓；而火線和零線對地短路，使瞬態(tài)電流入地，抑制共模電壓。其優(yōu)點(diǎn)是既能抑制共模電壓又能抑制差模電壓。但氣體放電管響應(yīng)速度慢，漏電流、擊穿電壓變化不定及壽命短等缺點(diǎn)，使其很少用于電力線通信中的浪涌保護(hù)［2］。
（2）壓敏電阻
壓敏電阻MOV（Metal Oxide Varistor）［2］［3］是由金屬氧化物制成，其特點(diǎn)是通過該非線性電阻的電流隨施加的電壓的指數(shù)上升，即
I＝KVa （1）
式中：k為常數(shù)；是施加電壓；取決于材料的常數(shù)，通常大于25。當(dāng)電壓升高到一定值時(shí)，變阻器近于短路。因此，把變阻器加在電源線／信號線與地之間或電源線／信號線之間，可使浪通電流到地或通過變阻器旁路，達(dá)到保護(hù)電路元器件的目的，是一種很廉價(jià)的方法。壓敏電阻具有響應(yīng)速度快（10－10秒）和大電流容量等特點(diǎn)，使其成為交流電力線浪涌保護(hù)的必備器件，但壓敏電阻其分流電容通常大于500 pF，漏電流約為10 mA，擊穿電壓隨電流上升。因此，壓敏電阻一般和TVS共同組成多級浪涌保護(hù)電路。
（3）瞬變電壓抑制二極管
瞬變電壓抑制二極管（Transient VoltageSuppression Diode，TVS）［1］［2］是一種特殊的二極管雪崩器件。其工作原理和齊納二極管類同，特性和符號和齊納二極管相同，所不同的是TVS具有更大面積的PN結(jié)，另外它的反向特性為典型的雪崩型，在雪崩時(shí)具有低動(dòng)態(tài)阻抗和低箝位電壓，當(dāng)TVS的兩極收到反向瞬態(tài)浪涌電壓沖擊時(shí)，它能以1×10－9毫秒量級的速度將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩�，迅速吸收高達(dá)數(shù)千瓦數(shù)量級的浪涌功率，使兩級間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路元器件免受各種形式的浪涌脈沖的損害。
TVS有單向和雙向之分，電力線Modem芯片上一般采用雙向TVS。雙向TVS的V－I特性如圖1所示。
從圖1可知，在瞬態(tài)峰值浪涌電流作用下，流過TVS的電流急劇地由原來的反向漏電流IR上升到VBR，其反向電壓IR上升至擊穿電壓值VBR，TVS被擊穿，最小擊穿電壓BR是TVS變成低阻抗的起始電壓，也就是TVS進(jìn)入雪崩的擊穿電壓。隨著峰值脈沖電壓的出現(xiàn)和增長，流過TVS的電流達(dá)到最大反向峰值脈沖電流IP，其反向電壓上升至箝位電壓值VC，并保持在這一穩(wěn)定水平上。其后隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩極的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到起始狀態(tài)。這就是TVS抑制浪涌，保護(hù)設(shè)備的全過程。
TVS具有體積小，響應(yīng)速度快（小于1 ns），瞬態(tài)功率大，漏電流低，擊穿電壓小，每次經(jīng)受瞬變電壓和浪涌后其性能不會下降和可靠性高等特點(diǎn)。另外，TVS最大優(yōu)點(diǎn)是箝位系數(shù)小，箝位系數(shù)越小，防護(hù)瞬變電壓效果越好。TVS的缺點(diǎn)是耐電流量小，電容量大。
常用的瞬態(tài)浪涌抑制器還有控制維持電流型硅防護(hù)浪涌器件（Semiconductor Surge ProtectionDevice，SSPD），由PNPNP五層組成，它是在單芯片上逆向并聯(lián)組成的復(fù)合器件。SSPD與氣體放電管相比有殘壓低，抗浪涌能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快，短路失效等一系列的優(yōu)點(diǎn)［8］。SSPD使有害浪涌安全地分流入地，有效防止由于浪涌引起的集成電路變形，短路，數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤和停滯，廣泛用于模擬通信和數(shù)字通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及各種電子儀器設(shè)備［3］。
2．2 通用浪涌保護(hù)網(wǎng)絡(luò)
實(shí)際應(yīng)用中對電力線通信Modem實(shí)施浪涌保護(hù)時(shí)，單個(gè)浪涌保護(hù)器件并不能有效的抑制浪涌，通常采用多個(gè)保護(hù)器件的級聯(lián)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。主要從兩個(gè)方面考慮：一是其信號或通信回路部分；另一個(gè)是其供電電源部分。圖3是一個(gè)典型的通用浪涌保護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。
在圖2中，器件（例如壓敏電阻）可以提供多層次的保護(hù)，通過分流來抑制瞬態(tài)浪涌但并不給予精確的控制。器件（例如電感）用不同級數(shù)的阻抗以隔離不同層次的浪涌保護(hù)。器件（例如二極管）電流容量比器件低，但卻能提供更好的瞬態(tài)電壓保護(hù)。第一級保護(hù)的原理是將電力線上的浪涌減小到一個(gè)適中的程度。此層次上典型的保護(hù)器件主要有火花放電管、氣體放電管和壓敏電阻等，這些器件通常沒有精確的擊穿電壓和相對較慢的響應(yīng)速度。第二級保護(hù)利用壓敏電阻、雪崩二極管或者TVS進(jìn)一步將瞬變電壓減小到一個(gè)更安全的水平。最后一級保護(hù)利用TVS或者肖特基二極管等器件，擊穿電壓精確、響應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)將浪涌減少到能高速且可靠傳輸數(shù)據(jù)的范圍。
3 浪涌保護(hù)網(wǎng)絡(luò)
圖2說明的僅是電力線通信浪涌保護(hù)通用拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，根據(jù)不同的通信質(zhì)量和傳輸要求選擇不同的浪涌抑制器，組成多級防護(hù)電路。下面介紹兩種常用的浪涌保護(hù)網(wǎng)絡(luò)：差模浪涌保護(hù)網(wǎng)絡(luò)和共模浪涌保護(hù)網(wǎng)絡(luò)［6］［7］。
3．1 差模浪涌保護(hù)網(wǎng)絡(luò)
圖3所示的是差模浪涌保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，這是一個(gè)典型的三級保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。與通用電力線通信浪涌保護(hù)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)相比較，其中MOV1作為抑制瞬變電壓的第一個(gè)分流器件，而TVS是第二個(gè)分流器件，TVS的高抑制能力使其成為第二和第三級浪涌保護(hù)的理想器件。阻塞電容C1和耦合變壓器T1將第二級保護(hù)與第一級隔開，同時(shí)阻塞電容C2和電感L1隔開最后一級保護(hù)，并阻止TVS電容減小被保護(hù)Modem芯片的相位裕度。
在最后一級保護(hù)中，起保護(hù)作用的是一對單向TVS、一對肖特基二極管和Modem芯片中的一對ESD。這三種保護(hù)器件都允許一系列瞬變電壓通過，但其擊穿電壓都不一樣，TVS是8．5 V，肖特基二極管是9．1 V，而ESD二極管是10．7 V。雖然看似只有TVS起到保護(hù)作用，實(shí)際上，當(dāng)加在TVS的電壓上升到其擊穿電壓后，TVS會變成低阻抗通道，TVS將會導(dǎo)通。隨著通過TVS的電流繼續(xù)加大，最后會上升到肖特基二極管的導(dǎo)通電壓。如果電流持續(xù)上升，ESD二極管最終被擊穿。
差模浪涌保護(hù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的多級防護(hù)電路不僅穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快，而且能多層次地抑制浪涌，保證了電力線通信的速度和質(zhì)量。此保護(hù)網(wǎng)絡(luò)是Intellon公司P111芯片的浪涌保護(hù)電路，并符合IEEEC62．41－1991浪涌保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。
3．2 共模浪涌保護(hù)網(wǎng)絡(luò)
如果電力線保護(hù)地和子系統(tǒng)地連接在一起，差模浪涌保護(hù)網(wǎng)絡(luò)不足以勝任電力線上浪涌保護(hù)的任務(wù)，通常采用圖4所示的共模保護(hù)網(wǎng)絡(luò)來抑制共模浪涌，其工作原理與差模保護(hù)網(wǎng)絡(luò)類似，所不同的是在第一層保護(hù)多了MOV2和MOV3，其作用與MOV1一樣。
兩種浪涌保護(hù)網(wǎng)絡(luò)并不能滿足所有不同環(huán)境和不同設(shè)備的浪涌保護(hù)要求。具體條件下，如何設(shè)計(jì)出高效的合格的浪涌保護(hù)是值得研究的問題。
印刷電路板的設(shè)計(jì)是浪涌保護(hù)中容易忽略的地方，印刷電路板的合理設(shè)計(jì)將會對浪涌保護(hù)產(chǎn)生很大的影響。設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，在線路布局上要盡量減少電路的寄生電感和互感，這就要求盡可能地減少通信線路的長度。
4 結(jié)論
隨著電力線上網(wǎng)研究的深入，電壓瞬變得到調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)者的廣泛關(guān)注。但是電力線通信中不能只是通過接地或使用單一抑制器件來解決浪涌帶來的危害，必須使用多級浪涌保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。本文介紹的差模和共模浪涌抑制電路可以有效的抑制電力線上的浪涌，滿足高速電力線通信的要求，為國內(nèi)電力線調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)者提供有益的參考。
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