---采用交流市電作為傳輸媒介的窄帶通信系統(tǒng)對當前的寬帶通信技術是一個有效補充。傳送視頻影像、高保真音樂和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等要求使用寬帶網(wǎng)絡，而窄帶電力線網(wǎng)絡則適合家庭和工業(yè)領域中的簡單應用。家庭領域中的應用包括自動抄表、照明控制、采暖、通風和空調(diào)(HVAC)控制、設備和警報系統(tǒng)遙控。在工業(yè)環(huán)境中，其應用主要是遠程控制、從傳感器中檢索數(shù)據(jù)及路燈管理。

--盡管各種形式的電力線承載的通信系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了幾十年，但家庭和商業(yè)市場的發(fā)展速度一直沒有達到預期水平，造成這種情況的原因包括國際規(guī)范/標準發(fā)展慢、電力網(wǎng)絡本身具有技術限制和成本/經(jīng)濟考慮因素。

---為成功實現(xiàn)電力線通信這樣的開放式通信系統(tǒng)，必需制定規(guī)則和標準，以保證每個節(jié)點都不會損壞整個網(wǎng)絡的功能和性能，而不管其采用何種應用或來自哪家制造商。幸運的是，形勢已經(jīng)改觀。在2001年，CENELEC(歐洲電子技術標準化委員會)出版和更新了與低壓電力網(wǎng)絡通信有關的EN50065系列法規(guī)，特別是EN50065-1涵蓋了與頻段和干擾限制有關的重要要求，EN50065-2-1概括了抗噪聲能力要求，EN50065-4-2概括了低壓解耦濾波器和安全要求，EN50065-7則描述了設備的阻抗特點。X10、Konnex 1.0和EHS(歐洲家庭系統(tǒng))等專用協(xié)議也已經(jīng)發(fā)展，但它們代表著某些設備的專用標準，對其他制造商沒有約束力。

---低阻抗與高電噪聲是普通的家庭配電網(wǎng)絡中的難題，它要求保證通信網(wǎng)絡的每個器件(從耦合接口到使用的電力線收發(fā)機類型)相匹配，在任何條件下實現(xiàn)可靠通信。圖1顯示了與配電網(wǎng)絡有關的噪聲問題。在電噪聲高的情況下，收到的信號信噪比明顯下降。

---電力線網(wǎng)絡的成本不僅僅是元器件和制造成本，還包括安裝和配置成本，另外還有與通信節(jié)點耗電量有關的運營成本。每個通信節(jié)點的功耗必須盡可能低，因為這些節(jié)點一直開著，隨時準備從遠程發(fā)射機接收命令。

---安捷倫HCPL-8100/0810高電流線路驅(qū)動器功耗低、簡單，并符合CENELEC國際協(xié)議和標準，使電力線通信網(wǎng)絡變得更加高效可靠。安捷倫還提供HCPL-800J DAA(數(shù)據(jù)存取裝置)芯片，為電力線調(diào)制解調(diào)器模擬前端(AFE)提供了替代方案。

采用電力線作為通信媒介
---電力線傳輸媒介由與電力線相連的所有設備組成，包括家居配線電纜、家電布線、家電本身、操作面板和把操作面板連接到變壓器上的接入電纜(火線、零線和地線)及變壓器本身。由于變壓器通常為一個以上的家庭服務，還必須考慮連接同一個變壓器的所有家庭的負荷和布線。

電力線阻抗
---電力線阻抗受到多個因素影響，變化很大。研究數(shù)據(jù)表明，家庭交流市電的阻抗隨著頻率提高而提高，在100kHz時可以在1.5～8Ω之間。EMI濾波器(除正常負荷外)似乎對阻抗的影響，這些EMI濾波器由安全電容器和扼流圈組成，廣泛用于家用設備中，如電腦、冰箱、洗衣機、電視和音響。對這些負荷，在150kHz時預計信號衰減將高達50dB，具體數(shù)值取決于所使用的變壓器和負荷大小。

---電力線載波系統(tǒng)在信號電壓/功率電平一定時的發(fā)送范圍取決于配線網(wǎng)絡的物理配置。對連接到同一個分支電路上的通信節(jié)點，典型的插入損耗約為5～15dB。如果發(fā)送機和接收機位于不同的電路分支中，如使用配線架分開，那么會有大約10～20dB的進一步衰減。在壞情況條件下，發(fā)送信號的總衰減可以高達85dB。

---EN50065規(guī)范/標準接受兩種仿真市電網(wǎng)絡，其符合CISPR 16-1:1993第11.2款測量標準。但是，在實際電力線網(wǎng)絡上進行的測量結果表明，這些仿真網(wǎng)絡沒有地表示實際電力線網(wǎng)絡中的阻抗。為更好地評估實際信令系統(tǒng)的性能，必須與CISPR 16-1仿真網(wǎng)絡一起使用自適應網(wǎng)絡。

電力線噪聲
---連接到電力線承載系統(tǒng)的變壓器二級裝置上的設備會生成不同程度的線路噪聲。噪聲源包括燈光亮度調(diào)節(jié)器中使用的三端雙向可控硅開關元件、馬達、開關電源和熒光燈。三端雙向可控硅開關生成的噪聲與50Hz的市電同步，表現(xiàn)為50Hz的諧波。來自交流馬達的噪聲一般是異步的，不像三端雙向可控硅開關生成的噪聲那么強。

---自20世紀70年代開始，在電力線中廣泛引入了兩種新的噪聲源：熒光燈電子鎮(zhèn)流器和開關電源。在許多情況下，它們都有自己的工作頻率，或產(chǎn)生3～148.5kHz的諧波，在電力線通信頻段范圍內(nèi)會導致雜散信號的產(chǎn)生。

采用HCPL-8100/0810及通信調(diào)制解調(diào)器
---安捷倫HCPL-8100/0810是一種高電流線路驅(qū)動器，適用于在低壓(120/240VAC)和中壓(2kV)接入市電上實現(xiàn)電力線通信，其主要功能是為電力線收發(fā)機提供足夠的驅(qū)動能力。除線路驅(qū)動器功能外，HCPL-8100/0810具有許多內(nèi)置功能，如電壓不足檢測、負荷檢測、溫度過高檢測和狀態(tài)輸出。圖2是HCPL-8100/0810簡化的方框圖。

---HCPL-8100/0810可以用來把發(fā)送的信號從電力線調(diào)制解調(diào)器(PLM)收發(fā)機直接耦合到電力線中，而不需通過信號變壓器或光學隔離器，圖3說明了怎樣實現(xiàn)非隔離信號耦合。

---HCPL-8100/0810可以在3.5Vpp時為9～450kHz的信號頻率提供高達1App的電流。耦合使用簡單的LC網(wǎng)絡完成，LC網(wǎng)絡濾掉市電頻率(50Hz和諧波)，為來自收發(fā)機的載波信號提供調(diào)諧的傳輸頻帶。

---通過采用發(fā)送濾波器獲得正弦曲線載波輸入，設備的線路驅(qū)動輸出可以實現(xiàn)EN50065國際規(guī)范/標準要求的非常低的諧波失真(對第二個諧波及更高的諧波，應好于-60dBμVRMS)電力線信號。

---HCPL-8100/0810還可以與隔離信號耦合接口一起使用。盡管HCPL-8100/0810線路驅(qū)動器在全負荷時3.5Vpp的線路驅(qū)動器輸出電壓對大多數(shù)電力線通信已經(jīng)足夠了，但某些應用如自動抄表(AMR)要求更高的載波信號電壓。EN50065-1規(guī)范的Class-122允許對95～148.5kHz之間的載頻，在電力線市電上實現(xiàn)高達7Vpp的信號電壓。

---圖4所示的耦合接口把電力線收發(fā)機的差分輸出通過雙HCPL-8100/0810線路驅(qū)動器和信號變壓器連接到交流市電上，帶有通過信號變壓器的單端輸出，為發(fā)送的信號提供高效的7Vpp驅(qū)動電路，為低頻交流市電電壓(240VAC、50Hz或120VAC、60Hz)、噪聲和噪聲突發(fā)和浪涌提供可靠的濾波系統(tǒng)。由于能夠降低發(fā)送信號的偶次諧波，推薦使用這種差分解決方案。

---對只提供單端發(fā)射機輸出的收發(fā)機，建議采用圖5中的電路。該電路提供了一種簡單的方法，可以使驅(qū)動電壓翻一番(提高6dB)，而不會通過串聯(lián)兩個線路驅(qū)動器而損害電流驅(qū)動能力。對低于70kHz的載頻，CENELEC規(guī)范中允許超過7Vpp的電力線信號電壓。通過提高信號變壓器T1的線圈比率，可以實現(xiàn)這種信號電平。

---假設輸入信號是1.75Vpp，個線路驅(qū)動器(U1)的增益設為3。Vout1將是3.5Vpp，由于HCPL-8100/0810的反轉(zhuǎn)效應，U2的Vout2輸出也是3.5Vpp，但相位與Vout1相差180°。這導致7Vpp信號經(jīng)過T1的主線圈。對Vin上不同的輸入信號電平，可以使用R1和R2之比調(diào)節(jié)U1階段的增益，在Vout1上獲得3.5Vpp。為在Vout1和Vout2之間實現(xiàn)180°差分，U2的增益(R4/R3)應一直固定在單位增益上。如果電力線阻抗低于7Ω，建議使用外部電阻器R9和R10，把輸出電流限定在1App。電力線狀態(tài)(如短路或過流)可通過STATUS引腳為微控制器提供，這個引腳作為接地警報系統(tǒng)使用，防止U1和U2發(fā)生災難性故障。如果通過U2的相位延遲很大，那么圖5中所示的配置將不能正常運行。測試發(fā)現(xiàn)，在400kHz載頻時的相位延遲僅約為30ns，對大多數(shù)應用而言可以忽略不計。

---圖6是圖5中電路的響應。粗線(Acl)表示閉環(huán)電壓增益，細線(Aol)則表示開環(huán)電壓增益的頻響。閉環(huán)響應在9～450kHz的載頻范圍是平坦的，符合CENELEC EN50065要求和FCC Part 15要求。

---對于100kHz載頻，在使用50Ω CISPR 16負荷及7Vpp信號和5V電源測試時，諧波均為-62dBc。電路使用1:1線圈比率信號變壓器和X2級安全電容器。必須在與交流市電電壓直接接觸的所有解耦單元(線路驅(qū)動器、變壓器和電容器)上進行CENELEC規(guī)范/標準中列明的一系列4kV或6kV級，采取一致性測試。

發(fā)送部分
---對Class 116應用，推薦的電路使用3:1線圈比率信號變壓器。信號耦合電路的功能是允許從線路驅(qū)動器(兩個HCPL-8100/0810的輸出)把發(fā)送信號以效率注入到交流市電中，同時抑制市電網(wǎng)絡上較高的諧波發(fā)出的噪聲和雜散信號。傳感干擾的臨界頻率是載波信號的第二個諧波和第三個諧波(對132.5kHz載頻來說分別是265kHz和497.5kHz)以及任何開關電源或穩(wěn)壓器的工作頻率的諧波。開關電源噪聲可以是窄帶噪聲，也可以是寬帶噪聲。

---發(fā)射機電路使用的配置是二階帶通濾波器，兩個電極的位置采用發(fā)送載頻或132.5kHz，參見圖7。為高效設計濾波器，必須考慮各種器件的相互影響以及變壓器泄漏電感(大約0.1～10μH)、TVS電容(大約2nF)和元器件ESR的影響。如果只考慮電抗器件和變壓器(3:1圈數(shù)比率)，那么可以使用圖8中簡化的等效電路。在實際設計中，必須考慮交流市電網(wǎng)絡預計的阻抗，其通常是一個電感負荷。如果沒有提供等效市電網(wǎng)絡，可以使用參考負荷，如CISPR16-1中提供的仿真網(wǎng)絡(50Ω與5Ω及50μH并聯(lián))。簡單的電路是CISPR 16仿真網(wǎng)絡的電抗部件，為兩個50μH電感器。

---兩個電極的公式是：
---fp1=fp2=1/[2·π·√(L·C)]=132.5kHz
---其中L=101μH, C=C10。在這個頻率上，500nF/N2的影響可以忽略不計。
---在重負荷條件下，HCPL-8100/0810信號電流的峰值可能會達到0.5App以上的值，而沒有明顯失真。這意味著與信號串聯(lián)的所有耦合電路器件(包括信號變壓器)都必須能夠承載這一電流，而不會飽和或過熱。電感單元的電流與各個電感成比例，但隨著電感提高，其ESR也會提高。這些電感單元的ESR必須盡可能低，以實現(xiàn)良好的耦合效率。事實上，即使在串聯(lián)電阻只有1Ω時，發(fā)送信號在重負荷條件下的耦合損耗仍可能會過高。因此，需要使用大型線軸磁芯電感器，保證每個電感器要求的線圈數(shù)量盡可能低。電容器C10的主要功能是抑制50Hz市電頻率，使用盡可能低的電容，以保證經(jīng)濟性，降低飽和效應，本設計的選擇值是220nF，并應該采用X2級安全電容器。

---考慮到所有交流市電電壓降在C10電容器中，可以使用下述公式確定通過信號變壓器線圈的電流。
---I=240Vrms·2π·50Hz·C10=16.6mArms
---從上面的計算可以看出，16.6mArms的50Hz電流流經(jīng)線圈的交流市電一側。信號變壓器應設計以防止這一低頻電流造成飽和。信號變壓器是這一應用中關鍵的器件。為提供有效的功率轉(zhuǎn)移及限度地降低插入損耗，建議使用主電感(在交流市電相反一側)大于1mH及有效串聯(lián)電阻低于0.5Ω的變壓器。如果泄漏電感非常高，那么它將影響耦合電路的整體性能。因此，應使用泄漏電感小于1μH的信號變壓器。歐洲CENELEC標準規(guī)定了電力線通信應用的絕緣電阻和介電強度。EN50065-4-2中提到兩種介電強度等級，即4kV和6kV，這也會影響信號變壓器設計。

---為防止在負荷過高時HCPL-8100/0810發(fā)生熱關閉，較好的解決辦法是使用3:1比率變壓器。參考變壓器主負荷的同等阻抗要比1:1比率變壓器高9倍，HCPL-8100/0810提供的信號電流降低到1/3，惟一的問題是交流市電上的輸出電平也將下降到1/3。這種隔離耦合形式的另一個優(yōu)勢是采用對稱結構，通過降低均勻諧波的電平，來補償器件的非線性度。

接收機部分
---在接收機部分增加了電阻器R12，以保證接收模式下的輸出阻抗符合CENELEC規(guī)范/標準(EN50065-7)，如圖5所示。為在接收模式下有效操作，下面的HCPL-8100/0810設備應使輸出并聯(lián)到地，可以通過利用Tx-en針腳支持設備來實現(xiàn)。在這種接收條件下，5V TVS D1和D2作為到地的共模浪涌和突發(fā)瞬變的電壓鉗位電路使用。如果沒有它們及軌到軌保護二極管D3、D4、D5和D6，超過11V的瞬變電壓會損壞HCPL-8100/0810設備。這一配置適用于簡單的單端接收機，但是單端配置不能抑制共模噪聲。為更好地抑制共模噪聲，建議使用差模接收機。圖9是132.5kHz信號使用的相應差分接收網(wǎng)絡。

電源考慮因素
---電路板設計的一個基本考量是電源系統(tǒng)配置。建議所有接地端子都連接到一個公用接地平面及HCPL-8100/0810芯片的接地針腳上，在132.5kHz的信號傳輸過程中，電源和接地平面上將出現(xiàn)高電流(典型值高達0.265Arms，即0.75App)。如圖10所示，從HCPL-8100/0810輸出到Vcc和Gnd針腳的軌跡應盡可能粗、盡可能短，以降低串聯(lián)電阻。如果接地或電源通路具有2mΩ或更高的電阻，那么載頻信號可能會產(chǎn)生第二次諧波波紋，并可能會通過信號變壓器耦合到市電上。假設單位(或0dB)電源抑制比(PSRR)，可以通過下述公式計算諧波電平。
---0.75App·2mΩ=1.5mVpp= 54.5dBμVrms
---如上面的值所示，如果沒有良好的PSRR性能，就算有理想的、沒有波紋電壓的DC電源，載波信號導致的輸出干擾相對于CENELEC要求也已經(jīng)非常大了。幸運的是，HCPL-8100/0810的典型PSRR約為72dB，因此輸出上出現(xiàn)的實際干擾僅約為-17.5 dBμVrms,或0.38μVpp。

---在使用以132kHz頻率開關，且全負荷輸出波紋是50mVpp的開關電源為HCPL-8100/0810提供直流供電時，132kHz時的干擾將是12.9dBμVrms，或發(fā)送時的12.6μVpp。接收機上相應的干擾將略低，約為10μVpp。這個值盡管很小，但其已足夠高，可以影響接收機的靈敏度。因此，如果使用開關電源，那么使用的開關頻率要比載頻高得多，這一點非常重要。

---通過正確設計開關電源及選擇輸出器件，可以進一步降低電源波動噪聲。的改善來自使用具有超低ESR的電解電容器。另一個問題是Vcc模擬電源上出現(xiàn)的噪聲可能也會耦合回到收發(fā)機設備上。為避免這種情況，應在電源和收發(fā)機的Vcc之間使用良好的鉭電容器，把噪聲并聯(lián)到Gnd針腳上。

---浪涌和突發(fā)保護
---由于HCPL-8100/0810的電力線通信應用同時涵蓋室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境，因此必須使用相關的一系列CENELEC抗干擾能力指標標準和測試，模擬環(huán)境條件。必須進行EN61000系列抗干擾能力測試中規(guī)定的測試，以檢驗是否符合規(guī)范/標準。推薦的耦合電路結構在高壓測試中是一個弱項。實際上，低插入損耗的有效耦合網(wǎng)絡的結果，是從交流市電到HCPL-8100/0810的線路驅(qū)動器電路上提供了一條低阻抗通路，因此在高壓瞬變時可能會損壞設備?；谶@一原因，建議從市電到線路驅(qū)動器增加保護設備，如MOV(金屬氧化物變阻器)和TVS(瞬變電壓抑制器)，如圖11所示。

---RV1上額定值為275VAC的MOV、D1和D2上額定值為5V的雙向TVS及軌到軌保護二極管提供了浪涌和突發(fā)保護。另外還需要使用軌到軌保護二極管，如D3、D4、D5和D6，因為在差模浪涌和共模浪涌狀態(tài)下TVS的鉗位電壓仍高于為集成電路提供的Vcc電壓。應根據(jù)MOV的等級選擇熔絲的額定電流。對電力線應用，根據(jù)EN50065-4-2要求，應能夠耐受4kV/6kV的瞬變/浪涌電壓。與浪涌和突發(fā)保護有關的其他考慮因素取決于多種情況，如耦合接口、電路板布局和使用的元器件特點。

共模噪聲抑制
---為實現(xiàn)良好的接收機性能，其靈敏度應盡可能高，靈敏度電壓電平應盡可能低，以便可以擴展整體接收機范圍/距離。重負荷電力線條件下的載波信號將經(jīng)歷高衰減，高達100dB甚至更高。在這些條件下，來自共模噪聲的干擾會變得非常明顯。如果沒有正確的共模噪聲抑制技術，則不能改善接收機靈敏度。如圖9所示，通過使用差模接收機配置所作的實驗，發(fā)現(xiàn)如果TVS D1和D2的中心分接頭沒有接地，那么對信號變壓器中20Vpp的共模噪聲源，接收機的共模噪聲輸出可能會高達115mVrms。一旦TVS D1和D2的中心分接頭接地，整體共模噪聲輸出會下降約28dB，達到16mVrms。

---如果信號變壓器提供中心分接頭，可以進一步抑制共模噪聲。在信號變壓器的中心分接頭接地時，可以把整體共模噪聲輸出再降低30dB。這樣通過把TVS D1和D2及信號變壓器接地，整體共模噪聲抑制可以高達58dB。圖12說明了適合共模噪聲抑制的終接收機配置。