AFE031是一款應用于電力線通信的模擬前端器件，可以作為電力線通信系統的收發(fā)器。本文將從AFE031應用背景、基本框架及系統設計三個方面進行介紹。

一. 應用背景

PLC的收發(fā)器由模擬前端器件構成，該環(huán)節(jié)對MCU發(fā)送的數字信號或從電力線接收到的載波信號進行調理，從而保證信號能準確、有效、可靠地在電力線上進行傳輸。而AFE031正是一款優(yōu)質的PLC模擬前端器件，可用于構建支持SunSpec等協議的PLC系統，其與MCU的接口也如圖1所示。

二. AFE031基本概述

AFE031內部高度集成，圖3是AFE031的功能框圖，其中，紅圈標示了PLC的Tx模塊，藍圈標示了PLC的Rx模塊，另外，紫圈標示了其他輔助功能模塊，內部資源豐富。

Tx模塊負責對發(fā)送路徑信號進行處理，其包含數模轉換器DAC、增益可調放大器Tx_PGA、帶寬可調低通濾波器Tx_Filter以及功率放大器PA。在Tx模塊內，待發(fā)送信號被放大和濾波后送入功率放大器PA，PA以6.5V/V的固定增益進一步將信號放大后輸出，驅動負載。

Rx模塊負責對接收路徑信號進行處理，接收路徑上的環(huán)節(jié)依次是增益可調放大器Rx_PGA1、帶寬可調低通濾波器Rx_Filter 、可調增益放大器Rx_PGA2。接收信號經過放大、濾波處理后送入MCU的ADC以還原數字信號。

MCU經SPI接口可對AFE031寄存器進行配置從而改變Tx模塊及Rx模塊的放大器及濾波器參數，針對SunSpec應用，Tx和Rx的濾波器可設置為CENELEC B/C/D檔，對應截止頻率為145kHz。更多MCU與AFE031接口方式及調參方法請瀏覽SBOA130A及TIDA-060001。

AFE031的優(yōu)勢可以總結如下：支持包括SunSpec在內的多種協議;供電PA_Vs范圍大，為7-24V;輸出電流可達1.5A;接收靈敏性好，可檢測到低至20 μVRMS信號;高度集成，資源豐富;配置靈活。

以上對AFE031基本框架、主要模塊功能作用以及優(yōu)勢做了一個基本的介紹，關于各模塊參數值、工作原理、寄存器配置的詳細介紹請參考AFE031數據手冊。

圖3. AFE031功能框圖

三. 基于AFE031的SunSpec PLC系統設計要點

構建基于AFE031的SunSpec PLC系統有幾個部分要重點考慮： Tx路徑、Rx路徑、電力線耦合電路、保護電路，下面將分別對這幾個部分的外圍電路設計要點進行介紹。

(1)Tx路徑

AFE031支持兩種Tx模式，分別是DAC模式和PWM模式，兩者的連接方式及外圍電路設計都有所差異，如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4. Tx路徑. (a) DAC 模式，(b)PWM模式

兩種模式都需設置PA輸入端交流耦合電容CIN以及PA限流值設置電阻RSET。而CIN作為高通濾波器，其取值決定于用戶需要的截止頻率fHP。SunSpec的較低頻率fm=131.25kHz，為預留一定裕量，應設置fHP應小于fm，CIN的計算公式為：

(1)

而RSET串接于PA_ISET引腳，RSET與限流值ILIM的關系式為：

(2)

兩種模式的區(qū)別在于，DAC模式下，MCU會通過快速中斷給AFE031發(fā)送正弦波離散值，雖然該過程會占用較多CPU資源，但傳送信號經DAC轉換后，諧波含量很小，無需設置太多外圍濾波器;而PWM模式下，MCU直接通過外設ePWM給AFE031發(fā)送PWM波，這種模式下，MCU的配置很簡單，但信號的諧波含量較大，需要設置外圍濾波器，如圖4(b)所示的RC低通濾波器Fd1和Fd2，可加強濾除PWM波的高次諧波。RC低通濾波器推薦使用電阻Rd為510Ω，截止頻率為fL，fL應大于待傳送信號頻率。而SunSpec協議的最大載波頻率為fs=143.75kHz，所以fL應大于fs，對應的Cd1和Cd2的設置可參考以下公式：

(3)

(2)Rx路徑

Rx路徑如圖5所示，Rx路徑上，接收信號先后經過外圍帶通濾波器F1及AFE031內部Rx模塊。

由于電力線工作環(huán)境復雜， AFE031接收到的信號可能含有各種干擾，因此，有必要為Rx路徑設置一個外圍的帶通濾波器F1，F1是四階帶通濾波器，其設計可遵循以下原則：首先選定濾波器特征阻抗Zc，該值與傳輸線阻抗匹配，對于PLC應用，可設定為1kΩ;然后確定電阻大小，兩電阻R1、R2起到分壓作用，當選擇R1=R2=Zc，信號有-6dB的衰減，若選擇R1=Zc，R2=10Zc，則信號有接近0dB的增益;最后可按照以下公式確定剩下的LC參數：

(4)

其中f1是帶通濾波器的低頻截止頻率，f2是帶通濾波器的高頻截止頻率，針對SunSpec的應用，f1應小于fm，f2應大于fs。比如可選擇C1=1.7nF，C2=1nF，L1=1.2mH，L2=1.5mH。

此外應注意的是，Rx_Filter是一個單位增益四階低通濾波器，需要依靠兩個外部輔助電容來正確配置濾波器，對于SunSpec所處的CENELEC B/C/D頻段，兩電容設置分別是CR1=270pF，CR2=560pF。

(3)電力線耦合電路

電力線耦合電路用于連接AFE031與電力線，使得信號能在兩者之間交互。交流電力線與直流電力線的耦合電路會有所區(qū)別，需分別介紹。

a. 交流應用

對于交流應用，電力線耦合電路如圖6所示，包含低壓側電容CLV、變壓器T、高壓側電容CHV，以及高壓側電感LHV。其中CLV的作用主要是隔絕低壓側偏置直流電壓，該電容應對高頻信號呈現低阻抗，常用10μF電容，其耐壓值應大于稍后介紹的TVS鉗位電壓值。而CHV與變壓器T繞組電感構成分壓器，CHV承受低頻交流大電壓VAC，而高頻信號經變壓器耦合到低壓側。CHV的大小要根據無功功率限值VAlimit來設定：

(8)

其中fP為工頻，CHV的耐壓值應高于電力線電壓。但根據VAlimit設置的CHV可能帶來較大的阻抗，從而導致驅動負載的能力不足，所以需要輔以LHV維持電力線路低阻抗，對于SunSpec，可以認為兩載波頻率fm和fs的中心頻率為fb=137.5kHz，從而可以確定LHV的取值：

(9)

至于變壓器T的匝數比取值，可以根據負載獲得PA最大輸出功率的需求進行匹配。假設VPA_out_peak和IPA_out_peak分別是PA輸出最大電壓和電流，高壓側等效負載為Rload，變比可參考下式：

b. 直流應用

在低壓直流應用中，可以不需要變壓器，僅以電容CDC耦合電力線與模擬前端電路，如圖7所示，直流母線電壓為TPS43060生成的24V，而耦合電容CDC常取為10uF，其額定電壓需大于直流母線電壓。另外，由于直流線路為低阻抗線路，且TPS43060輸出端對于高頻信號也呈低阻抗，PA輸出信號可能會從直流線路進入直流電源然后被拉低，從而極大影響PA輸出擺幅，因此需要在電源側串聯電感LDC以提高電源輸出阻抗，如圖中的680uH，對SunSpec中心頻率的阻抗達到587Ω。需注意的是，此處為低壓直流場合，基于電容耦合，電力線側的地可與AFE031的地相接。

若應用于高壓直流場合，應避免兩地直接相連，須重新采用變壓器進行隔離耦合，可參考圖8所示的EVM板Boost-AFE031框圖。

(4)保護電路

下面以直流應用的保護電路為例進行說明。直流應用的保護電路如圖9所示。其中TVS管是瞬態(tài)二極管，防止瞬間大電壓損壞AFE031，TVS的鉗位電壓應稍大于PA_Vs/2，要在確保不誤觸發(fā)的前提下提高保護的可靠性。肖特基二極管D1-D2的作用是抑制持續(xù)過電壓對AFE01的影響。而由于D1-D2具有結電容，結電容的不平衡將導致直流偏壓不能維持在PA_Vs/2，分壓器Rb1-Rb2的作用正是要改善這種情況，使PA輸出有正確的直流偏置。穩(wěn)壓管Z的作用是穩(wěn)定AFE031的PA供電電壓PA_Vs。Lo-Co-Ro組合作為一個額外的噪聲或振鈴吸收器，選取的經驗值為Ro=4.7Ω，Co=1nF，Lo=1mH。

基于AFE031構建SunSpec PLC系統進行測試驗證，圖10和圖11分別是指令傳輸波形以及發(fā)送不同載波時對應的波形頻譜?？梢娫撓到y能順利執(zhí)行SunSpec PLC通信功能，而且諧波含量少，確保了PLC通信的可靠性。

AFE031作為一款PLC模擬前端器件，支持包括SunSpec在內的多種PLC協議，能方便地實現可靠的PLC通信功能。其優(yōu)勢還在于有較大的供電電壓范圍、較大輸出電流、可檢測低至20μVrms信號的接收靈敏性。在系統設計時，可根據選定的通信方式，通過SPI接口配置AFE031寄存器，并相應地取定外圍濾波器參數，最后加上電力線耦合電路以及必要的保護電路即可完成系統構建。

十三五”末，配電自動化覆蓋率要求達到90%以上，各地區(qū)配電自動化正全面推進。由于配電自動化覆蓋面廣、設備多、種類繁多。因此要實現配電自動化首先要解決可靠性通信問題，才能保證配電自動化系統可靠運行。同時，在滿足可靠性供電的基礎上，如何降低造價，選擇合理的通信方式配合配電自動化系統建設變得尤為重要。

在配電自動化建設過程中，從傳輸性能分析，采用集中式或智能分布式配電自動化模式，配電終端需實現三遙，采用光纖通信方式由于具有中繼距離長、傳輸容量大、傳輸質量好，特別是具有不受高電壓、大電流影響的優(yōu)勢成為了首先的通信方式。

但是由于配電網覆蓋范圍大、通信節(jié)點分散且數據量小，鋪設光纜費用高從而影響了性價比，因此在就地型重合器式及故障指示器模式中，配電終端實現二遙，一般采用無線專網或無線公網通信模式。電力線載波通信方式考慮到可能出現配電線路斷路或發(fā)生短路故障，通信可靠性得不到保障，而且使用這種方式由于對單一的工頻電能加入了其他頻率的通信信號，會不可避免的對電能質量造成一定影響，因此在目前配電自動化建設中基本停用，只在光纜很難到達的站點，作為配電自動化通信的一種補充。

(1)明線通信：采用架空明線來傳遞電信號，這種方式易受自然災害而影響通信質量。

(2)電纜通信：采用埋設在地下的電纜來傳遞電信號。與架空明線比，電纜的優(yōu)點是容納線

對的數量較多，受氣候影響和外界的損害較少，埋在地下時，保密性較好。缺點是衰耗比明線大

得多，投資也比明線高。

(3)電力載波通信：利用高壓輸電線傳遞高頻信號，省去昂貴的線路投資，故目前大量采

用。電力載波通信要求在線路上增裝阻波器和耦合電容器，必須采用頻率分割和載頻阻塞法減小

各載波通道之間的電磁耦合串音影響。

(4)光纖通信：將要傳輸的語音、圖像和數據信號先變成光信號，由光纖進行傳輸。光纖通

信具有通信容量大、抗干擾能力強、中繼距離長等優(yōu)點，缺點是造價較高。

(5)微波通信：將要傳播的信號調制在微波上進行傳遞，微波通信與光纖通信類似具有容量

大，抗干擾能力較強的優(yōu)點。由于微波在空間基本上是沿直線傳播，所以微波在地面的傳播距離

受到限制，為了進行遠距離微波通信，常在兩個通信點之間設立多個接力站，將信號一站一站地

傳遞下去，這種方式稱為微波中繼通信。

(6)衛(wèi)星通信：適用于邊遠地區(qū)通信。通話時，有時間延遲和回聲。由于運行費用高，話路

數量受到一定的限制。

電力線通信技術是將攜帶有數據的電信號調制到電力線上，使用供電電力線作為信道進行通信的方式，具有成本低、方便快捷和易于組網的特點。將電力線通信技術與嵌入式技術相結合構成的電力線通信系統，具有嵌入式系統的專用性、可靠性、應用領域廣泛等特點，在電力遠動系統中得到了廣泛應用，是電力線通信技術研究的一個重要方向。

本文主要研究可在電力系統通信主站和從站終端中運行的遠動通信應用軟件的設計與實現。在對電力遠動通信協議和相關報文格式分析的基礎上，論文通過UML建模，分析軟件的主程序類關系以及總召喚、單命令遙控等應用功能的執(zhí)行過程，并在Msual Studi0 2010平臺上完成了軟件的界面設計和功能實現。軟件的主界面分為四個部分：系統、網絡設置、電力線設置和應用，其中實現了遠動通信的應用功能的主要是應用界面及系統界面中的網絡管理部分。應用界面中的應用功能部分是軟件的核心，主要實現總召喚、單命令遙控召喚等遠動通信規(guī)約中定義的應用功能的選擇和參數設置，以及對應用功能執(zhí)行過程的控制。除此之外，應用界面中的應用方式、統計方式、動態(tài)數據顯示等部分分別實現了主從方式和從站地址的設置、應用功能報文的統計、收發(fā)報文的解析和動態(tài)顯示功能。系統界面中的網絡管理部分實現了在主站對各個從站當日收發(fā)報文的數量、時延和在線時間的統計。

測試結果表明，本軟件能夠運行于與電力線通信嵌入式系統相連接的主站和從站終端設備中，實現總召喚、單命令遙控召喚等多個應用功能的正常執(zhí)行，完成完整的遠動通信過程。同時軟件可以對通信過程進行動態(tài)顯示和監(jiān)督，并在主站進行各個從站通信狀態(tài)的統計。