MAX44211 – 適用于窄帶電力線通信的線驅(qū)動(dòng)器

　　引言

　　目前，電力線通信技術(shù)是一種半雙工通信方式，通過配電系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。有兩種類型的通信：窄帶PLC和寬帶PLC。窄帶PLC的數(shù)據(jù)率大約為100kbps，工作頻率范圍為10 kHz至500 kHz;寬帶PLC的數(shù)據(jù)率高于100Mbps，通信系統(tǒng)工作在2至100MHz頻率范圍。

　　通過已有電力設(shè)施傳輸數(shù)據(jù)最早用于電力線上的電話通信系統(tǒng)，后來在50年前被用于遠(yuǎn)程繼電器控制和公共照明?，F(xiàn)在，電力線上實(shí)現(xiàn)了雙向通信，被用于家庭遠(yuǎn)程訪問/控制、工業(yè)遠(yuǎn)程訪問/控制，甚至能源領(lǐng)域的分布式發(fā)電系統(tǒng)。所有這一切都可通過被稱為智能電網(wǎng)的公共平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

　　每個(gè)家庭中帶有獨(dú)特通信設(shè)備的電表能夠每月為供電方提供信息，無需對(duì)每個(gè)街道的每個(gè)家庭進(jìn)行人工抄表。供電方以及消費(fèi)者都擁有關(guān)于一個(gè)小城鎮(zhèn)中一天里每個(gè)時(shí)段的供電和需量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。這就能夠提供非常重要的信息，便于高效利用電能，降低碳排放。這就通過可再生能源進(jìn)行發(fā)電，并在配電系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行管理來釋放更多潛在的能源。

　　圖1 使用MAX44211線驅(qū)動(dòng)器與交流電力線連接的Zeno調(diào)制解調(diào)器

　　英文解釋：

　　communication modem 通信調(diào)制解調(diào)器

　　PROTECTION 保護(hù)

　　Line driver 線驅(qū)動(dòng)器

　　ISOLATOR/COUPLER 隔離器/耦合器

　　AC MAINS 交流電源

　　1 MAX44211線驅(qū)動(dòng)器

　　圖1為使用MAX44211線驅(qū)動(dòng)器與交流電力線連接的Zeno調(diào)制解調(diào)器，該調(diào)制解調(diào)器兼容G3-PLC和Prim標(biāo)準(zhǔn)。

　　盡管交流電力線的線阻一般額定值為50Ω，但實(shí)際情況往往并非如此。由于電力線上每個(gè)用戶的需量不均衡，導(dǎo)致線阻發(fā)生變化。阻抗的動(dòng)態(tài)變化是負(fù)載或負(fù)載變化引起的，其中的主要因素是電機(jī)，而幾乎所有家用設(shè)備(洗衣機(jī)、冰箱、吸塵器)中都有電機(jī)。工業(yè)環(huán)境下也是如此，并且電機(jī)更多。這些電機(jī)不同于家用電器中的電機(jī)，而是功率高出10倍到100倍。電機(jī)在工作時(shí)傾向于向電網(wǎng)中倒灌EMI。功率開關(guān)/開關(guān)設(shè)備(例如逆變器或筆記本電腦充電器)也將噪聲倒灌到電網(wǎng)，盡管其影響比前者小得多。為緩解這種影響，通常在電源輸入端口安裝一個(gè)大電容(1μF至100μF)。該電容在50Hz時(shí)對(duì)交流電源形成大約3kW阻抗，但100 kHz或500 kHz時(shí)，阻抗分別約為1.6W和0.3W。在較高頻率時(shí)，包含電纜電阻在內(nèi)，交流電源的阻抗為大約2W。

　　對(duì)于G3-PLC規(guī)范，發(fā)送到電網(wǎng)的最大可能帶內(nèi)信號(hào)功率約為126dBuV，更別提要求發(fā)送此類信號(hào)的調(diào)制解調(diào)器能夠向交流電力線的此種動(dòng)態(tài)阻抗驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

　　對(duì)于正弦波，126dBuV大約為2Vrms。通常情況下，驅(qū)動(dòng)10至15W負(fù)載就要求調(diào)制解調(diào)器輸出必須擁有相對(duì)較高的功率驅(qū)動(dòng)。失真特性必須在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的帶外指標(biāo)之內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放不能滿足這一要求，這正是MAX44211的作用。

　　MAX44211是一款低失真線驅(qū)動(dòng)器，具有如下特性：

　　1)提供在負(fù)載變化條件下驅(qū)動(dòng)交流電源所需的高輸出功率;

　　2)可用于支持全球所有標(biāo)準(zhǔn)，例如CENELEC、ARIB、FCC;

　　3)提供1.5A較高最大輸出電流，峰-峰輸出差分電壓擺幅高達(dá)36V;

　　4)具有高級(jí)診斷功能，可監(jiān)測(cè)溫度和輸出過流。

　　2 特性和保護(hù)

　　MAX44211具有可變?cè)鲆?，提供四個(gè)不同的增益值。分別利用G0、G1輸入選擇增益。G0、G1輸入通常由PLC調(diào)制解調(diào)器的GPIO端口控制，可在器件工作時(shí)實(shí)時(shí)更改增益，確保輸出到電力線的功率符合要求。

　　可在調(diào)制解調(diào)器處于發(fā)送模式時(shí)使能輸出，而在不使用時(shí)將其禁止。接收模式下，這些輸出必須為高阻態(tài)，由此隔離發(fā)送通路，從而避免EMI和損壞。發(fā)送時(shí)，MAX44211的輸出阻抗為毫歐數(shù)量級(jí)，禁止時(shí)高于35kΩ。

　　根據(jù)負(fù)載的功率需量以及負(fù)載變化的不同，設(shè)計(jì)者可計(jì)算出線驅(qū)動(dòng)器的最大峰值電流需量。該值可用于設(shè)置限流值，使用相應(yīng)的RSET值限制輸出電流。MAX44211輸出的最大峰值電流決定線驅(qū)動(dòng)器的功耗，也為我們提供負(fù)載環(huán)境的指示。例如，假設(shè)信號(hào)為125dBuV，負(fù)載為50Ω。

　　125dBuv = 10^(125/20))/1000000 = 1.778Vrms，負(fù)載為50Ω時(shí)，電流為355mA (rms)

　　根據(jù)信號(hào)類型的不同，rms有效值與峰值之比可能不同(正弦波p-p = 2rt2 Irms) ( OFDM信號(hào)p-p = 6.6 x Irms)。同一125dBuV信號(hào)驅(qū)動(dòng)至2Ω負(fù)載時(shí)，輸出電流需量將為 0.889 A(1.778V/ 2 = 0.889 A)。因此，峰-峰電流高于MAX44211的最大輸出電流2A。限流值由RSET決定，將輸出箝位到限流值，確保器件不會(huì)被熱擊穿損壞。這種情況下，輸出將失真。

　　3 STATUS 0/1輸出

　　在應(yīng)用中，STATUS輸出通常連接到調(diào)制解調(diào)器的GPIO引腳。這些輸出為調(diào)制器提供關(guān)于電力線負(fù)載及工作溫度的關(guān)鍵信息，調(diào)制解調(diào)器可據(jù)此制定決策。

　　發(fā)生限流時(shí)，STATU-0輸出變?yōu)榈碗娖?，向調(diào)制解調(diào)器表示重載條件。調(diào)制解調(diào)器可停止發(fā)送并等待幾分鐘，然后再次發(fā)送。

　　高溫報(bào)警表示內(nèi)部結(jié)溫已經(jīng)達(dá)到150°C，并在結(jié)溫達(dá)到160°C時(shí)執(zhí)行熱關(guān)斷。

　　如果在重載條件下繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，將會(huì)發(fā)生限流(STAT-0為低電平)。由于長(zhǎng)時(shí)間高電流需量以及封裝和電路板的功耗特性，內(nèi)部結(jié)溫會(huì)達(dá)到150°C;如果繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，最終將使器件進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)。

　　在較高環(huán)境溫度下發(fā)送數(shù)據(jù)。PLC調(diào)制解調(diào)器往往采用標(biāo)準(zhǔn)IP-67封裝。這種封裝具有一定的防潮、防水能力，只需極少，甚至沒有散熱口。這些封裝安裝在附近變電站的數(shù)據(jù)集中器中，或者安裝在家庭的墻壁插座。內(nèi)部溫度很容易飆升到75°C。

　　4 外部保護(hù)

　　圖2 MAX44211輸出與交流電源之間的隔離

　　隔離：MAX44211輸出與交流電源之間具備正確的隔離。有兩種隔離方式：

　　1)耦合器/變壓器隔離;

　　2)無變壓器隔離，使用容性隔離，LC電路用作對(duì)交流電源的耦合電路。

　　4.1 D1/ D2/ D3/ D4：肖特基二極管

　　MAX44211輸出要求有箝位二極管，防止變壓器或LC耦合網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載變化/開關(guān)引起的反電動(dòng)勢(shì)造成電壓尖峰損害器件。肖特基二極管具有快速開關(guān)和較高電流密度，是此類應(yīng)用中發(fā)生故障條件時(shí)將輸出箝位到AVDD的最大電壓以及將瞬態(tài)電流旁路的電源的理想選擇。

　　4.2 D5：TVS二極管

　　連接到交流電源時(shí)，推薦使用雙向TVS二極管進(jìn)行保護(hù)。這些二極管具有浪涌保護(hù)功能，從而提供對(duì)電力線中EMI的抗擾性。浪涌事件期間，TVS二極管將傳導(dǎo)-VBREAKDOWN至+VBREAKDOWN范圍的信號(hào)，通過箝位到±VCLAMP來保護(hù)電路。

　　4.3 功耗(管芯和封裝)和熱設(shè)計(jì)

　　MAX44211采用4mmx4mm TQFN封裝，帶有裸焊盤及無鉛封裝，改善向電路板的導(dǎo)熱。重載情況下發(fā)送PLC信號(hào)時(shí)，線驅(qū)動(dòng)器的功耗可高達(dá)4W，這將升高器件的內(nèi)部結(jié)溫。溫度保護(hù)電路監(jiān)測(cè)內(nèi)部溫度，并在必要時(shí)發(fā)出報(bào)警或關(guān)斷。

　　圖3 EP和接地層之間布置多個(gè)過孔

　　建議在EP和接地層之間布置多個(gè)過孔，如圖3所示。多個(gè)過孔可降低從封裝表面到PCB的熱阻。另外也建議在PCB設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)或多個(gè)接地層，層厚為2oz。

　　5線性度數(shù)據(jù)：

　　圖4數(shù)據(jù)為50Ω負(fù)載時(shí)的線性度/失真信息，AVDD和旁路電容。

　　圖4 數(shù)據(jù)為50Ω負(fù)載時(shí)的線性度/失真信息

　　英文解釋：

　　Two tone linearity test 雙音線性度測(cè)試

　　MAGNITUDE 音量

　　Frequency 頻率