電力載波通信(power line comrnunication,,PLC)是電力系統(tǒng)特有的通信方式,電力載波通信是指利用現(xiàn)有電力線,,通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù),。最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò),只要有電線,,就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞?,F(xiàn)在,PLC除了在遠(yuǎn)程抄表上有所應(yīng)用外,,隨著家庭智能系統(tǒng)這個(gè)話題的興起,,也給PLC帶來(lái)了一個(gè)新的舞臺(tái)。在電力載波系統(tǒng)輸出級(jí),,需要對(duì)調(diào)制好的信號(hào)進(jìn)行放大,,本文使用共射放大電路和OTL電路分別對(duì)電壓和電流進(jìn)行放大,為了控制輸出信號(hào)的諧波失真率,,對(duì)偏置電路和反饋電路進(jìn)行了改進(jìn),,同時(shí)在設(shè)計(jì)中考慮溫度影響,使電路可以在室外環(huán)境中正常工作,。
1 放大器的設(shè)計(jì)要求和基本電路
根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求,,載波信號(hào)的總諧波失真應(yīng)小于O.05%,由于需要在室外工作,,所以電路需要能夠在-30℃的環(huán)境中正常工作,,輸出功率應(yīng)達(dá)到1 W。在本設(shè)計(jì)中,,為了達(dá)到輸出功率的需求,,供電部分采用12 V直流供電,電源內(nèi)阻為10 Ω,。信號(hào)源為數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片的輸出信號(hào),,頻率為132 kHz,信號(hào)電壓峰值為2.5 V,,芯片內(nèi)阻為2 kΩ,。負(fù)載為電力線,在仿真中采用如圖1所示的人工電源網(wǎng)絡(luò)模型。
基本電路如圖2所示,,Q9為前級(jí)放大,,Q8,Q12為后級(jí)輸出,。輸入與輸出之間引入負(fù)反饋,,調(diào)節(jié)增益,使得輸出功率滿足實(shí)際應(yīng)用的需要,,同時(shí)起到降低諧波失真的作用,。前后級(jí)直接耦合,以簡(jiǎn)化電路,,降低成本,。
2 溫度影響
2.1 溫度降低的影響及解決辦法
當(dāng)溫度降低時(shí),使得晶體管集電極電流降低,,而基極電流增大,,當(dāng)Q9基極電流增大時(shí),R5電流增大,,兩端壓降也隨之增大,,而R5左端電壓為O.7 V基本不變,于是右端電壓上升,,使得靜態(tài)工作點(diǎn)高于Vcc/2,,于是輸出波形的正半周頂端出現(xiàn)失真。
解決方法:
(1)被動(dòng)溫度適應(yīng)法,。加大負(fù)反饋降低增益,,即R7的設(shè)定值降低,使得靜態(tài)工作點(diǎn)的上升不至于使輸出波形失真,。缺點(diǎn)是降低了輸出,。把R7調(diào)整為3 kΩ,電路可以在-30℃下正常工作,,基波3 V,,三次諧波為1 mV。
(2)主動(dòng)溫度補(bǔ)償法:將R5設(shè)定為可變電阻,,當(dāng)溫度降低時(shí),,降低R5阻值,使靜態(tài)工作點(diǎn)保持不變,,也就避免了輸出波形的失真,。
2.2 溫度上升的影響及解決辦法
使用推挽式輸出級(jí)通常要通過(guò)偏置電路消除交越失真,最簡(jiǎn)單的方法是使用D7和D8兩個(gè)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn),。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí),,三極管溫度升高,,be間電壓降低,而二極管電流并不大,,其正向?qū)妷篤e變化不大,,這樣,Vbe和Ve之間的電位差使得三極管中流過(guò)的電流加大,,溫度進(jìn)一步上升,電位差更大,,三極管電流也更大,,最終使三極管發(fā)生熱損壞。解決方法:
(1)如圖3所示,,在2個(gè)三極管射極輸出端串聯(lián)2個(gè)電阻,,限制電流。
(2)使用如圖4所示的電路,,將3個(gè)三極管靠近,,使它們熱耦合,則隨著溫度變化,,Q3兩端電壓也會(huì)變化,,從而抑制了熱擊穿。
當(dāng)三極管功率不是太大時(shí),,可以直接使用二極管偏置,。
3 負(fù)反饋電路的改進(jìn)
將基本電路中的R8使用如圖5所示的LC諧振電路代替,可以將132 kHz頻率的信號(hào)正確反饋,,而其他頻率信號(hào)則被衰減至很小,,從而改善輸出波形。
電容和電感的取值由公式來(lái)獲得,。諧振頻率相同時(shí),,電容容量越小,電感數(shù)值越大,,品質(zhì)因數(shù)越大,,選頻特性越好,為了得到合適的負(fù)反饋,,加入了電阻來(lái)調(diào)整品質(zhì)因數(shù),。
從表1可以看出,使用LC諧振作為負(fù)反饋可以在一定程度上抑制諧波失真,。
選頻負(fù)反饋的使用使得電路只使用于特定頻率的功率放大,,若需要較大范圍的頻率響應(yīng),則不適合采用選頻電路,。
4 偏置電路的改進(jìn)
使用圖6所示的恒流源代替基本電路中的電阻R1,,使得偏置電路中的電流不會(huì)受到輸入端的影響,,從而使輸出端更加穩(wěn)定,降低失真,。
由表2兩者的對(duì)比可以看出,,使用恒流源代替電阻可以使諧波失真大大降低,但是溫度特性會(huì)變差,,使用中需要注意溫度補(bǔ)償,。
溫度特性變差,但相對(duì)其對(duì)諧波失真的改進(jìn)來(lái)看,,此影響很小,,所以在電路中恒流源的引入是非常有意義的。
5 提高輸入電阻
加入前面所述的選頻負(fù)反饋電路之后,,輸入電阻變得很小,,大概只有200~300 Ω,當(dāng)信號(hào)源內(nèi)阻變化時(shí),,會(huì)導(dǎo)致輸出端波形變化很大,,并可能出現(xiàn)嚴(yán)重失真。所以需要采取措施提高輸入電阻,,以降低信號(hào)源變化所帶來(lái)的影響,。
方法1 通常可以采用射級(jí)跟隨電路作為前級(jí)輸入端的方法來(lái)提高輸入電阻,,此方法效果好,,成本高。
方法2 當(dāng)對(duì)輸入電阻阻值要求不是太大時(shí),,可以簡(jiǎn)單的在輸入端串聯(lián)一定數(shù)值的電阻,,來(lái)達(dá)到提高輸入電阻的目的,此方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,,成本低,。
在本應(yīng)用中,信號(hào)由特定DA芯片提供,,信號(hào)源內(nèi)阻變化不大,,適合采用第2種方法。
6 晶體管的選擇
最大管壓降:電源采用了12 V供電,,所以晶體管最大管壓降應(yīng)大于12 V,;最大電流:經(jīng)PSpice仿真,測(cè)得輸出級(jí)的2個(gè)三極管最大電流為150 mA,,電流源和前級(jí)放大晶體管小于10 mA,;最大功耗:經(jīng)PSpice仿真,測(cè)得輸出級(jí)的2個(gè)三極管最大瞬時(shí)功耗550 mW,,前級(jí)放大晶體管最大瞬時(shí)功耗小于60 mW,;工作溫度:產(chǎn)品需要能在室外環(huán)境中正常工作,;頻率特性:截止頻率大于300 kHz;綜合考慮,,選擇2N3904和N3906晶體管,。
7 改進(jìn)后的電路圖及性能
根據(jù)前面所述的方法對(duì)開(kāi)始的基本電路進(jìn)行改進(jìn),得到最后的實(shí)用電路,,如圖7所示,。電源:+12 V,內(nèi)阻10 Ω,;輸出信號(hào)總諧波失真率約O.05%,;輸入阻抗:1.2 kΩ。輸出阻抗:6 Ω,;輸出電壓:8.3 V,;最低工作溫度:-30℃,。
8 結(jié)語(yǔ)
本文從最基本功率放大電路著手,,從多個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),獲得了較高的諧波失真性能和較高的輸出功率,,最終電路能夠滿足國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求和實(shí)際應(yīng)用的需求,。