蘇宏營，李琳，彭書濤，廖培金
（西安交通大學電力系，西安710049）
摘 要：電力線通信中電壓瞬變的強大破壞能力及其出現的時間、位置無法預測，不僅使數據瞬間亂態(tài)、丟失，嚴重制約了高速數據的傳輸，還會導致電子產品的損壞。因此，電壓瞬變防護問題已經得到越來越多設計者的重視。文章在指出防護的必要性的同時，還介紹了浪涌的產生和抑制技術，并重點介紹了兩種滿足高速電力線通信的浪涌抑制方法。
關鍵詞：浪涌；抑制器；電力線通信；調制解調器
1 引言
電力線通信技術（Power Line Communicatio－n（PLC）），是指利用電力線傳輸數據和話音信號的一種通信方式。該技術是把載有信息的高頻加載于電流，然后用電線傳輸，接收信息的調制解調器（Modem）再把高頻從電流中分離出來，并傳送到計算機或電話接收機，以實現信息傳遞。近幾年來，國內外許多公司和科研機構投入大量的人力和資金，已經成功開發(fā)適用于在電力線上實現高速數據傳輸的新型產品。目前高速PLC已可傳輸高達10Mbps以上的數據，而且能同時傳輸數據、語音、視頻和電力，有可能成就“四網合一”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。主要是用電設備產生的噪聲，其來源有設備開關切換、電器設備熱插拔產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備的正常工作，使數據瞬間亂態(tài)、丟失，嚴重制約了高速數據的傳輸，還會導致電子產品的損壞。其影響程度取決于沖擊電流的大小和設備的抗干擾程度。為使設備能夠正常工作，設計者應在調制解調器的電源線、信號線以及電路中采取相應的抑制技術。
2 浪涌抑制器
為了保證調制解調器通信數據高速，穩(wěn)定，可靠地傳輸，必須在調制解調器耦合部分對浪涌采取防護措施，最簡單的方法是將其直接接地。第二種防護方法是在調制解調器芯片的關鍵部位采用瞬態(tài)浪涌抑制器，使瞬態(tài)浪涌通過抑制器旁路到子系統地和大地，從而使芯片中的浪涌幅度大大降低。第三種防護方法是采用多個抑制器組合形式，構成多級防護電路［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：當線上感應瞬態(tài)高壓時，促使放電管內的氣體電離，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。但氣體放電管響應速度慢，漏電流、擊穿電壓變化不定及壽命短等缺點，使其很少用于電力線通信中的浪涌保護［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，其特點是通過該非線性電阻的電流隨施加的電壓的指數上升，即
I＝KVa （1）
式中：k為常數；是施加電壓；取決于材料的常數，通常大于25。當電壓升高到一定值時，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，達到保護電路元器件的目的，是一種很廉價的方法。壓敏電阻具有響應速度快（10－10秒）和大電流容量等特點，使其成為交流電力線浪涌保護的必備器件，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，另外它的反向特性為典型的雪崩型，在雪崩時具有低動態(tài)阻抗和低箝位電壓，當TVS的兩極收到反向瞬態(tài)浪涌電壓沖擊時，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�，迅速吸收高達數千瓦數量級的浪涌功率，使兩級間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護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進入雪崩的擊穿電壓。隨著峰值脈沖電壓的出現和增長，流過TVS的電流達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衰減，TVS兩極的電壓也不斷下降，最后恢復到起始狀態(tài)。這就是TVS抑制浪涌，保護設備的全過程。
TVS具有體積小，響應速度快（小于1 ns），瞬態(tài)功率大，漏電流低，擊穿電壓小，每次經受瞬變電壓和浪涌后其性能不會下降和可靠性高等特點。另外，TVS最大優(yōu)點是箝位系數小，箝位系數越小，防護瞬變電壓效果越好。TVS的缺點是耐電流量小，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組成的復合器件。SSPD與氣體放電管相比有殘壓低，抗浪涌能力強，穩(wěn)定性好，響應速度快，短路失效等一系列的優(yōu)點［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，數據傳輸錯誤和停滯，廣泛用于模擬通信和數字通信設備、計算機網絡及各種電子儀器設備［3］。
2．2 通用浪涌保護網絡
實際應用中對電力線通信Modem實施浪涌保護時，單個浪涌保護器件并不能有效的抑制浪涌，通常采用多個保護器件的級聯保護網絡。主要從兩個方面考慮：一是其信號或通信回路部分；另一個是其供電電源部分。圖3是一個典型的通用浪涌保護網絡拓撲圖。
在圖2中，器件（例如壓敏電阻）可以提供多層次的保護，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）用不同級數的阻抗以隔離不同層次的浪涌保護。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。第一級保護的原理是將電力線上的浪涌減小到一個適中的程度。此層次上典型的保護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速度。第二級保護利用壓敏電阻、雪崩二極管或者TVS進一步將瞬變電壓減小到一個更安全的水平。最后一級保護利用TVS或者肖特基二極管等器件，擊穿電壓精確、響應時間快等特點將浪涌減少到能高速且可靠傳輸數據的范圍。
3 浪涌保護網絡
圖2說明的僅是電力線通信浪涌保護通用拓撲網絡，根據不同的通信質量和傳輸要求選擇不同的浪涌抑制器，組成多級防護電路。下面介紹兩種常用的浪涌保護網絡：差模浪涌保護網絡和共模浪涌保護網絡［6］［7］。
3．1 差模浪涌保護網絡
圖3所示的是差模浪涌保護網絡，這是一個典型的三級保護網絡。與通用電力線通信浪涌保護拓撲網絡相比較，其中MOV1作為抑制瞬變電壓的第一個分流器件，而TVS是第二個分流器件，TVS的高抑制能力使其成為第二和第三級浪涌保護的理想器件。阻塞電容C1和耦合變壓器T1將第二級保護與第一級隔開，同時阻塞電容C2和電感L1隔開最后一級保護，并阻止TVS電容減小被保護Modem芯片的相位裕度。
在最后一級保護中，起保護作用的是一對單向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起到保護作用，實際上，當加在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。
差模浪涌保護網絡構成的多級防護電路不僅穩(wěn)定性好，響應速度快，而且能多層次地抑制浪涌，保證了電力線通信的速度和質量。此保護網絡是Intellon公司P111芯片的浪涌保護電路，并符合IEEEC62．41－1991浪涌保護標準。
3．2 共模浪涌保護網絡
如果電力線保護地和子系統地連接在一起，差模浪涌保護網絡不足以勝任電力線上浪涌保護的任務，通常采用圖4所示的共模保護網絡來抑制共模浪涌，其工作原理與差模保護網絡類似，所不同的是在第一層保護多了MOV2和MOV3，其作用與MOV1一樣。
兩種浪涌保護網絡并不能滿足所有不同環(huán)境和不同設備的浪涌保護要求。具體條件下，如何設計出高效的合格的浪涌保護是值得研究的問題。
印刷電路板的設計是浪涌保護中容易忽略的地方，印刷電路板的合理設計將會對浪涌保護產生很大的影響。設計印刷電路板時，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 結論
隨著電力線上網研究的深入，電壓瞬變得到調制解調器設計者的廣泛關注。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網絡。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，為國內電力線調制解調器設計者提供有益的參考。
參考文獻
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