L—PLC系統(tǒng)中功率放大電路的設(shè)計(jì)

摘要：電力線通信也稱之為PLC，此類通信方式需要用到的信號有電力傳輸數(shù)據(jù)以及語音等。本文從特點(diǎn)方面，對L-PLC系統(tǒng)進(jìn)行了基本的分析，在放大電路功率時應(yīng)用了分立元件和TLE2301，并在實(shí)地進(jìn)行了測量。結(jié)合對低壓PLC通信所提出的特殊要求，對一個能夠大范圍輸出信號、輸出阻抗并不大的功率放大器進(jìn)行了設(shè)計(jì)制作，在該設(shè)備中應(yīng)用了TLE2301后實(shí)現(xiàn)了對電源效率的提升。

關(guān)鍵詞：電力線載波通信;功率放大電路;TLE2301;三態(tài)控制

一、功率放大電路簡介

相比以往在電路中放大電壓或電流不同的是，在電路中放大功率是為了實(shí)現(xiàn)對大功率的輸出，主要具有提供負(fù)載功率的功能，其能夠?qū)崿F(xiàn)對負(fù)載的直接驅(qū)動，具有較強(qiáng)的帶載能力。對于部分通用設(shè)備來說，我們需要對其輸出電流或電壓大小加以及輸出功率加以考慮，如此能夠?yàn)檎＿\(yùn)行提供相應(yīng)的負(fù)載，例如揚(yáng)聲器以及電動機(jī)的音圈或控制繞組等等[1]。

二、低壓電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及信道分析

DSP設(shè)備中所進(jìn)入的低壓電力線信號不僅經(jīng)過了耦合網(wǎng)絡(luò)以及濾波網(wǎng)絡(luò)的處理，并且經(jīng)過了增益設(shè)備的自動放大，信號在經(jīng)過功率放大器以及耦合網(wǎng)絡(luò)的處理后，會進(jìn)入到低壓電力線中，進(jìn)而將信號發(fā)送給低壓電力線，并被低壓電力線所接收。

由于所接入和切除的用戶負(fù)荷是隨機(jī)的，因此低壓PLC通信相比普通有線通信線路具有更加復(fù)雜的衰減特性，隨機(jī)性和時變性非常強(qiáng)?？偟膩碚f，頻率越大電力線上就會出現(xiàn)越大的衰減;然而由于部分頻率點(diǎn)在負(fù)載情況下存在著共振問題，并且傳輸線會對其造成影響，因此，會突然出現(xiàn)快速衰減，一般來說此類頻率會出現(xiàn)長時間的選擇性衰落，并且不會出現(xiàn)大范圍的影響頻率[2]。再加上低壓配電網(wǎng)具有較多的分支節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)具有不相匹配的節(jié)點(diǎn)，因此會出現(xiàn)反射信號以及諧振信號等。并且通常來說低壓電力線載波網(wǎng)絡(luò)中不存在阻波器，降低了多徑干擾的形成難度。

整個系統(tǒng)中的功率放大器是最重要的部分之一。由于該設(shè)備在處理信號的過程中需要縮小信號，信號在經(jīng)過調(diào)制以及處理后，由于電力線存在著一定的阻抗，因此直接在耦合電路中聯(lián)入會由于信號過小而出現(xiàn)快速衰減，因此無法成功通信。所以，必須要借助現(xiàn)代技術(shù)來放大信號功率，以此來順利的進(jìn)行通信。在結(jié)合了實(shí)際情況后，發(fā)現(xiàn)功率放下器主要應(yīng)用了如下技術(shù)：

（1）其所輸出的功率足夠大，因此能夠正常的在耦合系統(tǒng)和相關(guān)電路中正常傳輸信號;

（2）功率放大器需要具有能夠匹配耦合電路阻抗的額定負(fù)載阻抗;

（3）由于電力線具有變化較大的負(fù)荷，因此放電路需要能夠帶負(fù)載;

（4）功率放大器需要能夠穩(wěn)定工作，并具有可靠的性能[3]。

三、基于 TLE2301 的功率放大電路設(shè)計(jì)

本文根據(jù)OTL的典型特征對如圖2所示的實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行了搭建。該電力的電壓放大器在前端，后端的ui能夠?qū)⑿盘栞斎氲絆TL電路中，Vcc中接的直流電源為12V，u0口能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的輸出。

為了滿足系統(tǒng)功率要求，兩個三極管分別采用G1=TIP41C，G2=TIP42C。為了使整個電路的效果達(dá)到最佳狀態(tài)，調(diào)整R1，R2，RL 使放大倍數(shù)達(dá)到最佳狀態(tài)。

①當(dāng) R1= 2KΩ，R2=2KΩ，RL=750Ω，C1=C2=0.1μF。經(jīng)過測 試，此時直流電源由12V降為10V，而且G1，G2發(fā)熱，微燙。經(jīng) 過分析這是由于R1，R2較小，即電路的輸入電阻較小，致使直 流電源電壓輸出減小。

②當(dāng) R1= 10KΩ，R2=10KΩ，RL=750Ω，C1=C2=0.1μF。經(jīng)過 測試輸入 ui 為 5V 時，不失真的情況下最大輸出電壓 uo 為 4.8V （再增大則出現(xiàn)削波失真） 此時的原因是由于 R1，R2 太大，Vbe 無法達(dá)到微導(dǎo)通電壓。

③當(dāng) R1= 5.1KΩ，R2=5.1KΩ，RL=510Ω，C1=C2=0.1μF。經(jīng) 過測試輸入ui為7.4V時，不失真的情況下最大輸出電壓 uo 為 7.2V 此時測得直流電源電壓不變，仍為 12V，輸入信號達(dá)到臨 界狀態(tài)。

由分立元件設(shè)計(jì)的功率放大電路能滿足基本設(shè)計(jì)要求，但是實(shí)測效果并不是很好，在 12V 直流電源情況下，所能輸出 的最大電壓為 7.2V;其頻率范圍比較寬，選頻特性比較差;對 于 150Ω 以后的電阻輸出電壓穩(wěn)定，帶負(fù)載能力一般。為了進(jìn) 一步改進(jìn)功率放大效果，根據(jù)系統(tǒng)要求，我們選定 Texas 公司 開發(fā)的 TLE2301 進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

（一）TLE2301 簡介

本文所選用的TLE2301是由Texas公司設(shè)計(jì)的，具有放大電路功率的功能，采用該電路能夠放大發(fā)送信號的功率。TLE2301能夠運(yùn)放寬帶功率，它的2和AB類輸出級具有良好的保真效果，各輸出級都能夠?qū)崿F(xiàn)對500mA以上的電流輸出，所以在高頻率下能夠?qū)崿F(xiàn)對1A最大電流的輸出，并且總諧波具有較高的保真能力。想要提升輸出級的阻抗，就可以控制對芯片的三態(tài)進(jìn)行控制，減少電源電流不超過3.5mA，同時將Excalibur應(yīng)用到了該器件中，因此電壓具有了12V/us的轉(zhuǎn)換率。此外，該芯片具有8MHz的增益帶寬積，而本文在放大電路功率后，信號達(dá)到了50kHz-100kHz頻帶范圍，電壓+4V/V增益，根據(jù)相關(guān)定義通過與增益帶寬積的結(jié)合得知，通過對該款功放芯片的使用，能夠?yàn)楸菊n題設(shè)計(jì)提供完全滿足需求的參數(shù)。本文設(shè)計(jì)了如圖3所示的功放電路，IN和OUT端分別能夠輸入和輸出未放大和放大后的信號。

其主要特點(diǎn)如下：

1）具有 1A 的高輸出驅(qū)動能力（最小）;

2）具有三態(tài)輸出;

3）增益帶寬積達(dá) 8MHz （典型）;

4）總諧波失真小于 0. 08 %（典型） ;

5）轉(zhuǎn)換速率高達(dá) 12V/μs ;

6）AB 類輸出級;

7）具有過熱關(guān)斷功能;

8）可用于電力線路的信號電路驅(qū)動

（二）基于TLE2301的功率放大電路

本文所采用的TLE2301能夠在40-90kHz范圍內(nèi)工作，采用了±5V的電壓，該電路具有可擴(kuò)增到3-95kHz的實(shí)際應(yīng)用頻段。該電路的上下限頻率分別為90kHz和40kHz。如果信號范圍在40-90kHz之間，那么在電力網(wǎng)絡(luò)通220V交流電時，不會產(chǎn)生較高的阻抗，因此，能夠該電路對一個4Ω電源線的驅(qū)動僅需40-90kHz的寬帶，具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。

在進(jìn)行發(fā)送的過程中，電力網(wǎng)絡(luò)所接收到的220V交流電信號源阻抗并不高。發(fā)送器在發(fā)送和不發(fā)送信號時都處于激活狀態(tài)，因此在連接部分發(fā)送器時，它們所具有的負(fù)載總和就會對電力線造成一定的影響，降低其阻抗到無法接受的程度。如此，每個阻抗較低的電力線都需要一個發(fā)送器來進(jìn)行驅(qū)動，并且發(fā)送器從遠(yuǎn)處出來的信號會出現(xiàn)明顯的衰減。為了實(shí)現(xiàn)對此類問題的解決，需要采用一個不發(fā)送信號時阻抗依然較高的發(fā)送器。所以，電力線網(wǎng)絡(luò)在任意時期都只能實(shí)現(xiàn)對部分發(fā)送回器的加載，如此能夠保證電力線良好的接受各類信號。由于TLE2301自身能夠?qū)崿F(xiàn)對三種狀態(tài)的輸出，所以，在沒有附加電路的情況下，就能夠具有該功能。此外，由于TLE2301在待機(jī)電流較低時才能夠具有三態(tài)，因此，TLE2301這一低功耗器件是與理想型。圖4中顯示了各元器件所具有的詳細(xì)參數(shù)。圖中顯示了經(jīng)過1.96倍增益的功率放大器，在設(shè)置增益的過程中，需要結(jié)合RF和RI。在設(shè)計(jì)期間需要盡可能的對放大器進(jìn)行利用，以此來通過對電壓幅度的放大來盡可能的降低TLE2301的功耗。在達(dá)到飽和前，放大器可能輸出2V左右的電源電壓。

四、實(shí)測TLE2301的功率放大電路

下圖某實(shí)驗(yàn)室實(shí)際測得的TLE2301放大效果。

當(dāng)電路中接入50Ω的負(fù)載時，能夠?qū)崿F(xiàn)對100KH頻率的信號的輸入，如圖4所示為其輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系。

分析：TLE2301能夠?qū)崿F(xiàn)對40kHz-90kHz頻率的1V電壓的穩(wěn)定輸入，在4K-200KHZ頻率內(nèi)都能夠具有放大功能。所以，采用TLE2301來放大電路功率，能夠使電力線具有與要求相符的載波通信頻率。在功放電路中應(yīng)用TLE2301，能夠在4Ω的負(fù)載電壓下實(shí)現(xiàn)對電壓的穩(wěn)定輸出，而功放電路中應(yīng)用分立元件，只有在150Ω時才能夠?qū)崿F(xiàn)對電壓的穩(wěn)定輸出。所以，TLE2301具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，適用于符合變化較大的電力線載波通信中。

結(jié)束語：

借助TLE2301芯片來對電路功率進(jìn)行放大，能夠率先對良好信噪比的提供，能夠更好的耦合和傳輸載波信號。相比以往的功率放大電路來說，其能夠?qū)崿F(xiàn)對1A電流的輸出，并且總諧波具有良好的保真性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對三態(tài)的控制，增益帶寬積達(dá)到了8MHz，能夠在電力線路中驅(qū)動信號電路，并且可以為4Ω的負(fù)載提供驅(qū)動力，實(shí)現(xiàn)了對負(fù)載能力的顯著提升。

參考文獻(xiàn)：

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[3]馬立麗，馬金龍. 低壓PLC信號自動增益放大接收電路設(shè)計(jì)[J]. 電子質(zhì)量，2008.

作者簡介：郭栩文 2001.04 男 本科在讀 電子信息工程 上海海事大學(xué) 上海市浦東新區(qū) 201306。