CN1744450B - 用于电力线通信的耦合网络 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耦合网络，其具有第一电力线接口端口和被配置为耦合到电力线调制解调器收发器的电力线调制解调器接口。耦合到所述电力线调制解调器接口的电感-电容电路在所述电力线调制解调器收发器的信号频率处具有低阻抗谐振频率。具有信号频率和电力线频率之间的角频率的电感器具有第一端和第二端。所述电感器的第一端连接到所述电感-电容电路，所述电感器的第二端耦合到交流地，该交流地耦合到收发器地。电感器将所述第一电力线接口端口耦合到电源接口端口。

Description

用于电力线通信的耦合网络
技术领域
本发明涉及耦合网络，具体地说，涉及使用串行信号注入的耦合网络。 
背景技术
电力线通信(“PLC”)系统使用电力线路在网络中的电子设备例如计算机或共享电子设备之间或交换信息。在PLC系统中使用电力线调制解调器(“PLM”)来连接家庭、办公室、建筑或建筑间计算机网络和类似应用中的电子设备。 
PLM一般具有通过耦合网络而耦合到电力线的一个或多个发送线驱动器和接收器。PLM通常由耦合到电力线的(多个)电源供电。电力线一般运行在危险电压下，例如120VAC或230VAC。保护与电源相连的设备的用户不受电击或伤害是很重要的。 
图1是使用并行信号注入的现有技术PLC系统100的示意图。电力线也称为“干线”或简称为“主干”102、104，它们是为了讨论而被任意指定的“火线”(“L”)102和“零线”(“N”104)。电力线102、104一般运行在较高的AC电压下，以向设备和用电器提供电力。来自电力线102、104的AC电力沿着电源导线108、110被提供给电源106。EMI(electro-magnetic interference，电磁干扰)滤波器电容器112被跨接在电源导线108、110之间，以抑制否则可能进入电源106并从而进入PLM114的电磁干扰。EMI滤波器电容器一般大于1纳法(“nF”)。耦合网络116将由PLM114接收的和从PLM114发送的信号耦合到电力线102、104。PLM114被指定为运行在半双工系统中，其中PLM能够发送或接收数据，但是不同时发送和接收数据。 
图2是使用变压器耦合的并行信号注入的传统耦合网络118的简化电 路图。发送线驱动器120和接收器122通过变压器124、电容器126、128、130和电感器132耦合到电力线接口102′、104′。选择发送线驱动器120的输出端和变压器124之间的电容器126以及接收器的输入端和变压器124之间的电容器128，使它们具有以选定频率(“信号频率”)来传递信号的值。一个示例性的信号频率是100kHz，可替换的信号频率一般在火线频率(例如大约50或60Hz)和大约100MHz之间。 
一般地，电容器126、128的值被选择以提供信号频率处较低的阻抗。串联的电容器130和电感器132的值被选择以提供信号频率处的谐振短路(即在信号频率处，串联组合的总阻抗变为大约是零)。该电路一般被称为“串联L-C电路”。 
变压器124将电力线的高压与发送线驱动器120和接收器122隔离开来。此外，第一限压设备134例如金属氧化物变阻器(“MOV”)限制了电力线接口端口102′、104′之间的电压。例如，在被指定为运行在230VAC的电力线电压下的系统中，对MOV134进行选择以将它两端的电压限制为小于275V。换言之，MOV134从高阻状态(基本上是开路)变为275V时的低阻状态(一般是几欧姆)。MOV134限制了可能在变压器的输入绕组两端出现的电压。 
第二限压设备136例如是雪崩二极管或齐纳二极管，它限制了变压器124的PLM侧的电压。第二限压设备136一般被称为“瞬时电压抑制器”(“TVS”)，并且在第二选定电压下导通(即基本变为短路)，其中所述第二选定电压对于传统接收器和发送器来说一般大约是5V。 
图3是使用变压器耦合并行信号注入和两个发送器的另一传统耦合网络140的简化电路图。接收器122′接收来自变压器124的副绕组142的两端的差分输入。TVS跨接在接收器122′的输入144、146上。发送线驱动器120、120′使得用于驱动变压器的副绕组142的输入信号148、150的相位相差180度，并且发送信号的功率基本上是使用类似设计的单个发送线驱动器的PLM的2倍。 
图4是使用电容性耦合的并行信号注入的传统耦合网络160的简化电路图。分流电感器162对未被形成串联L-C电路的电容器130′和电感器 132′滤除的、一般是60Hz或50Hz(即远低于信号频率的频率)电力线电压进行分流。TVS136跨接在分流电感器162上，以保护发送线驱动器120和接收器122免于瞬时电压击穿，否则该瞬时电压击穿可能会通过耦合电容器126、128而被耦合。 
但是，使用利用并行信号注入的多个PLM，不论是变压器耦合还是电容性耦合，当与包含滤波器电容器的标准电源一起使用时，都会不希望地加载去往和来自PLM的信号。 
发明内容
本发明公开了一种耦合网络，其具有第一电力线接口端口和被配置为耦合到电力线调制解调器收发器的电力线调制解调器接口。耦合到电力线调制解调器接口的电感-电容电路在电力线调制解调器收发器的信号频率处具有低阻抗谐振频率。具有信号频率和电力线频率之间的角频率的电感器具有第一端和第二端。电感器的第一端连接到电感-电容电路，而电感器的第二端耦合到交流地，该交流地耦合到收发器地。电感器将第一电力线接口端口耦合到电源接口端口。 
附图说明
图1是使用并行信号注入的现有技术PLC系统的示意图。 
图2是使用变压器耦合的并行信号注入的传统耦合网络的简化电路图。 
图3是使用变压器耦合的并行信号注入和两个发送器的另一传统耦合网络的简化电路图。 
图4是使用电容性耦合的并行信号注入的传统耦合网络的简化电路图。 
图5是示出了当使用并行信号注入的PLM连接到电力线时出现的问题的现有技术PLC系统的示意图。 
图6是根据本发明实施例的利用串行信号注入的PLC系统的示意图。 
图7是使用电容性耦合的串行信号注入的耦合网络的简化电路图。 
图8是使用电容性耦合的串行信号注入的另一耦合网络的简化电路图。 
图9是使用变压器耦合的串行信号注入的另一耦合网络的简化电路图。 
具体实施方式
图5是现有技术PLC系统170的示意图，其示出了当使用利用并行信号注入的耦合网络的PLM被连接到电力线102、104时出现的问题。EMI滤波器电容器112具有被选择用来将EMI从一条电源导线108耦合到另一电源导线110的电容值。换言之，该电容值足够高(典型地约大于1nF，更典型地大约是100nF)，从而可耦合所关心的最低频率的EMI。最低EMI频率可能低于或大致等于信号频率，而且滤波器电容器112具有降低耦合网络116上的有效负载(即总负载)的阻抗的效果，该效果不是所希望的。 
例如，Z1是电力线102、104的负载端的阻抗，其代表了电力线上其他节点(例如所连接的附加PLM等用电器)的负载。一般地，希望将负载阻抗保持得尽可能的高，以避免必须从PLM的发送线驱动器提供高电流输出。与不必提供这么大电流的发送线驱动器相比，高电流驱动器一般更大，并且消耗额外的功率。Z2是跨越电力线102、104的阻抗，它是由滤波器电容器112和(多个)电源106产生的。Z2以虚线示出，以表示它是图5所示的(多个)电源106和EMI滤波器电容器112的合成阻抗。耦合网络116所看到的有效负载(总并行阻抗)Zpi由下式给出： 
               Zpi＝Z1*Z2/(Z1+Z2)          公式1 
滤波器电容器的电容值通常足够大，使得总并行阻抗Zpi在100kHz时大约低至1.5欧姆。这在PLM上产生了很高的最大电流(current draw)。如果发送线驱动器不能提供足够的电流，则信号强度下降。 
图6是根据本发明实施例的利用串行信号注入的PLC系统180的示意图。串行耦合网络186(例如见图7～9)沿着电力线182、184的火线182串联。电源188跨接在电力线182、184上(即并联)。火线182中的AC 电力流过耦合网络186。 
Z1是电力线182、184的负载端的阻抗，它代表了电力线上其它节点(例如所连接的附加的PLM等用电器)的负载。Z2是电力线102、104之间的阻抗，它是由EMI滤波器电容器112′和(多个)电源188产生的。本实施例中的EMI滤波器电容器可具有比图5中更高的电容值，以在不影响串行注入信号的情况下分流更多的EMI噪声。Z2以虚线示出，以表示它是图6所示的(多个)电源188和EMI滤波器电容器112′的合成阻抗。有效负载(总串联阻抗)Zsi由下式给出： 
               Zsi＝Z1+Z2                公式2 
因此，Zsi大于Z1或Z2，而公式1的Zpi小于Z1和Z2。在使用DC电源的一个实施例中(见图7)，EMI滤波器电容器是220nF，负载1.5欧姆，耦合网络186所看见的总有效负载阻抗大约是6欧姆。这比使用并行信号注入的类似PLC中的有效负载阻抗Zpi大四倍。串行信号注入所实现的更高的有效阻抗放松了对PLM114中的发送线驱动器的操作限制。具体地说，由于高阻抗有效负载Zsi拉动更小的电流，所以可在PLM中使用更小的、功率更低的发送线驱动器，同时保持足够的信号强度。 
图7是使用电容性耦合的串行信号注入的耦合网络190的简化电路图。去往和来自PLM收发器192的信号通过PLM接口191、电容器194、196以及电感器198而被耦合到电力线。选择电容器194、196和电感器198的值，以提供在信号频率处具有低阻抗谐振的电感-电容(“L-C”)电路。信号频率一般在足够大于火线频率的频率和大约100MHz之间，其中大于火线频率是为了有效地将信号频率与火线频率分离开来。干线电感器200将第一电力线接口端口202耦合到与电源206之间的电源接口端口204。AC地207(一般是与信号路径串联的电容器，其具有足够小的电容值，以避免将AC线的电力耦合到收发器地205(“地”))将高频(例如信号或高频噪声)返回到地。干线电感器200的第一端201连接到L-C电路，而干线电感器200的第二端203连接到AC地207。 
因此，电源干线电流通过耦合网络的干线电感器200而流到电源206。干线电感器200具有信号频率和电力线频率之间的角频率。换言 之，干线电感器200具有足够的电感值以在信号频率处提供高阻抗，从而对于由PLM192接收和发送的信号来说，其基本上工作为开路，使得信号被耦合到第一电力线接口端口202，并从该第一电力线接口端口202被耦合过来，而且干线电感器200还具有足够的电感值以提供电力线频率处的低阻抗，以将火线电力传递到电源。第一电力线接口端口连接到火线电压(参见图6标号182)，火线电力通过耦合网络190的干线电感器200流到电源206。信号230从第一电力线接口端口202被串行地注入干线。 
电源206是线性电源，其通过耦合网络190从第一电力线接口端口202并且从第二电力线接口端口208连接到电力线(见图6标号182、184)。因此，一条电力线导线209在电源接口端口204连接到耦合网络190，而另一电力线导线211在第二电力线接口端口208连接到另一电力线。该配置将耦合网络190与电力线串联。如上所述，EMI滤波器电容器112′在电力线导线209、211之间分流EMI；但是，干线电感器200滤除了来自EMI电容器112′的信号，而且EMI电容器112′可具有比在类似的并行信号注入应用中的EMI电容器更大的电容值。第一电力线接口端口202和第二电力线接口端口208之间的MOV210分流例如可能由于雷击或电压击穿而在电力线之间产生的过电压。MOV在信号频率处具有较高的电阻值，并且不会显著影响发送或接收。 
降压变压器212向二极管桥214、216提供AC电力，二极管桥214、216将AC电力转换为DC电力。DC电力由电容器218、220、222和224滤波，并由线性调压器226、228进行调压。为了简化说明，省略了从电源206到PLM收发器192的经过调压滤波的DC电力之间的连接。信号230通过第一电力线接口端口202而被发送/接收。可替换地，第一电力线接口端口连接到零线，第二电力线接口端口连接到火线。 
图8是使用电容性耦合的串行信号注入的另一耦合网络190′的简化电路图。去往和来自PLM收发器192的信号通过PLM接口191、电容器194、196和电感器198被耦合到电力线(见图6标号182、184)。选择电容器194、196和电感器198的值，以提供在信号频率处具有低阻抗谐振的L-C回路。如上参照图7所述的干线电感器200将第一电力线接口端口 202耦合到电源接口端口204′。去往和来自PLM收发器192的信号也被耦合到电源接口端口204′并从电源接口端口204′被耦合过来，而不是如图7所示的实施例那样，被耦合到第一电力线接口端口202并从第一电力线接口端口202被耦合过来。AC地207′将在第一电力线接口端口202处出现的高频(例如信号或高频噪声)返回到收发器地205。干线电感器200的第一端201′连接到L-C电路，而干线电感器200的第二端203′连接到AC地207′。 
与图7的实施例一样，电力干线电流通过耦合网络的干线电感器200流到电源206。干线电感器200具有信号频率和电力线频率之间的角频率，并且在信号频率处提供高阻抗，从而对于由PLM192接收和发送的信号来说，其基本上工作为开路，使得信号被耦合到第一电力线接口端口202，并从第一电力线接口端口202被耦合过来。第一电力线接口端口连接到火线电压(参照图6标号182)，火线(干线)电力通过耦合网络190′流到电源206。来自PLM收发器192的信号通过电容器194、196和电感器198的谐振L-C网络流到电源接口端口204′。 
然后，信号流过EMI滤波器电容器112′，而不是电源206中的降压变压器212的主绕组232。由于信号想要以最小的损失耦合通过EMI滤波器电容器112′，因此可选地选择电容值，使其高于通常被选择用于使用并行信号注入的PLC系统中的EMI滤波器电容器的电容值。 
例如，具有100kHz信号频率的PLC系统中使用的100nF电容器具有大约16欧姆的阻抗。电容值的增加将降低该阻抗，结果导致PLM的最大电流变高，并且导致使用并行信号注入的PLC系统中的信号强度降低。希望在使用并行信号注入的PLC系统中使用具有至少20欧姆阻抗的EMI电容器，以避免过大的最大电流。但是，在使用串行信号注入的本发明实施例中，EMI电容器的电容值可以被增大，以在信号频率处得到大约6欧姆到12欧姆的阻抗。增大后的电容值不仅有利于通过图8实施例的EMI电容器112′来耦合信号，还有利于抑制图7和图8实施例中的EMI。 
信号230′从第二电力线接口端口208被串行地注入到零线上。信号电流可以从火线行进到零线并且从零线流到火线。可替换地，第一电力线接 口端口连接到零线，第二电力线接口端口连接到火线。 
图9是使用变压器耦合的串行信号注入的另一耦合网络240的简化电路图。来自PLM收发器192的信号通过PLM接口191以及电容器194、196和电感器198的L-C电路，行进到信号耦合变压器244的第一绕组242的第一端241，其中第一绕组242用作与图7和图8实施例中的干线电感器200相类似的电感器。第一绕组242的第二端243连接到AC地207。信号耦合变压器244将信号耦合到信号耦合变压器244的第二绕组246。信号230″从第一电力线接口端口202(参照图6标号182)串行地注入到干线。可替换地，第一电力线接口端口连接到零线，第二电力线接口端口连接到火线。 
干线电力从第一电力线接口端口202通过信号耦合变压器244的第二绕组246被耦合到电源接口端口204″，然后被耦合到开关电源206′。电源变压器248与EMI滤波器电容器112″一起工作，以形成EMI滤波器250。EMI电容器是抑制开关噪声的有效滤波装置。因为EMI电容器已经存在，因此不会导致额外的成本，而且EMI电容器执行对来自电源的开关噪声进行抑制和对来自电力线的EMI进行滤波的双重功能。第二电力线接口208连接到零线干线。因此，火线电压通过耦合网络240被提供给电源变压器248。开关电源对于本领域的技术人员来说是熟知的，因此省略对开关电源206′及其操作的详细描述。来自电源的电力(Vcc2)被提供给PLM中用Vcc2指示的接线端。可替换地，第一电力线接口端口连接到零线，第二电力线接口端口连接到火线。 
虽然已经详细示出了本发明的优选实施例，但是很明显，本领域的技术人员可在不偏离本发明所附权利要求中所阐述的范围的情况下对这些实施例做出多种修改和调整。 

Claims (12)

1.一种耦合网络，包括：
第一电力线接口端口；
被配置为耦合到电力线调制解调器收发器的电力线调制解调器接口；
耦合到所述电力线调制解调器接口的电感-电容电路，该电感-电容电路在所述电力线调制解调器收发器的信号频率处具有低阻抗谐振频率；
耦合到收发器地的交流地；
具有所述信号频率和电力线频率之间的角频率的电感器，所述电感器具有第一端和第二端，所述电感器的第一端连接到所述电感-电容电路，所述电感器的第二端耦合到所述交流地；以及
通过所述电感器被耦合到所述第一电力线接口端口的电源接口端口。
2.如权利要求1所述的耦合网络，其中所述电感器是变压器的一个绕组。
3.如权利要求1所述的耦合网络，其中所述电感器的第一端连接到所述第一电力线接口端口。
4.如权利要求1所述的耦合网络，其中所述电感器的第二端连接到所述电源接口端口。
5.如权利要求1所述的耦合网络，还包括：
第二电力线接口端口；和
连接到所述第二电力线接口端口的第一电力线导线；
耦合到所述第一电力线接口端口和所述第二电力线接口端口的电容器；
连接到所述电源接口端口的第二电力线导线；和
连接到所述第一电力线导线和所述第二电力线导线的电源。
6.如权利要求5所述的耦合网络，其中所述电容器在所述耦合网络的信号频率处具有小于20欧姆的阻抗。
7.如权利要求5所述的耦合网络，其中所述电容器在所述耦合网络的信号频率处具有小于12欧姆的阻抗。
8.如权利要求5所述的耦合网络，其中所述电容器在所述耦合网络的信号频率处具有不大于6欧姆的阻抗。
9.如权利要求5所述的耦合网络，其中所述电源是线性电源。
10.如权利要求5所述的耦合网络，其中所述电源是开关电源。
11.如权利要求10所述的耦合网络，其中变压器与所述电容器一起工作以形成EMI滤波器。
12.如权利要求1所述的耦合网络，还包括所述电力线调制解调器收发器。
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