電力載波通信(powerlinecomrnunication,,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,通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g,。最大特點是不需要重新架設網(wǎng)絡,,只要有電線,,就能進行數(shù)據(jù)傳遞。現(xiàn)在,,PLC除了在遠程抄表上有所應用外,,隨著家庭智能系統(tǒng)這個話題的興起,也給PLC帶來了一個新的舞臺,。在電力載波系統(tǒng)輸出級,,需要對調(diào)制好的信號進行放大,本文使用共射放大電路和OTL電路分別對電壓和電流進行放大,,為了控制輸出信號的諧波失真率,,對偏置電路和反饋電路進行了改進,同時在設計中考慮溫度影響,,使電路可以在室外環(huán)境中正常工作,。
1 放大器的設計要求和基本電路
根據(jù)國家電網(wǎng)標準的要求,載波信號的總諧波失真應小于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,,輸出功率應達到1W,。在本設計中,為了達到輸出功率的需求,,供電部分采用12V直流供電,,電源內(nèi)阻為10Ω。信號源為數(shù)/模轉換芯片的輸出信號,,頻率為132kHz,,信號電壓峰值為2.5V,芯片內(nèi)阻為2kΩ,。負載為電力線,,在仿真中采用如圖1所示的人工電源網(wǎng)絡模型。
基本電路如圖2所示,,Q9為前級放大,,Q8,Q12為后級輸出,。輸入與輸出之間引入負反饋,,調(diào)節(jié)增益,使得輸出功率滿足實際應用的需要,,同時起到降低諧波失真的作用,。前后級直接耦合,以簡化電路,,降低成本,。
2 溫度影響
2.1溫度降低的影響及解決辦法
當溫度降低時,,使得晶體管集電極電流降低,而基極電流增大,,當Q9基極電流增大時,,R5電流增大,兩端壓降也隨之增大,,而R5左端電壓為O.7V基本不變,,于是右端電壓上升,使得靜態(tài)工作點高于Vcc/2,,于是輸出波形的正半周頂端出現(xiàn)失真,。
解決方法:
(1)被動溫度適應法。加大負反饋降低增益,,即R7的設定值降低,,使得靜態(tài)工作點的上升不至于使輸出波形失真。缺點是降低了輸出,。把R7調(diào)整為3kΩ,,電路可以在-30℃下正常工作,基波3V,,三次諧波為1mV,。
(2)主動溫度補償法:將R5設定為可變電阻,當溫度降低時,,降低R5阻值,,使靜態(tài)工作點保持不變,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
使用推挽式輸出級通常要通過偏置電路消除交越失真,,最簡單的方法是使用D7和D8兩個二極管來實現(xiàn)。當負載電流較大時,,三極管溫度升高,,be間電壓降低,而二極管電流并不大,,其正向導通電壓Ve變化不大,,這樣,Vbe和Ve之間的電位差使得三極管中流過的電流加大,,溫度進一步上升,,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個三極管射極輸出端串聯(lián)2個電阻,,限制電流,。
(2)使用如圖4所示的電路,,將3個三極管靠近,使它們熱耦合,,則隨著溫度變化,,Q3兩端電壓也會變化,從而抑制了熱擊穿,。
當三極管功率不是太大時,,可以直接使用二極管偏置。
3 負反饋電路的改進
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132kHz頻率的信號正確反饋,,而其他頻率信號則被衰減至很小,從而改善輸出波形,。
電容和電感的取值由公式
來獲得,。諧振頻率相同時,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,,為了得到合適的負反饋,,加入了電阻來調(diào)整品質(zhì)因數(shù)。
從表1可以看出,,使用LC諧振作為負反饋可以在一定程度上抑制諧波失真。
選頻負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,,則不適合采用選頻電路。
4 偏置電路的改進
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,但是溫度特性會變差,,使用中需要注意溫度補償,。
溫度特性變差,但相對其對諧波失真的改進來看,,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反饋電路之后,,輸入電阻變得很小,,大概只有200~300Ω,,當信號源內(nèi)阻變化時,會導致輸出端波形變化很大,,并可能出現(xiàn)嚴重失真,。所以需要采取措施提高輸入電阻,以降低信號源變化所帶來的影響,。
方法1通??梢圆捎蒙浼壐S電路作為前級輸入端的方法來提高輸入電阻,此方法效果好,,成本高,。
方法2當對輸入電阻阻值要求不是太大時,可以簡單的在輸入端串聯(lián)一定數(shù)值的電阻,,來達到提高輸入電阻的目的,,此方法實現(xiàn)簡單,成本低,。
在本應用中,,信號由特定DA芯片提供,信號源內(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12V供電,所以晶體管最大管壓降應大于12V;最大電流:經(jīng)PSpice仿真,,測得輸出級的2個三極管最大電流為150mA,,電流源和前級放大晶體管小于10mA;最大功耗:經(jīng)PSpice仿真,測得輸出級的2個三極管最大瞬時功耗550mW,,前級放大晶體管最大瞬時功耗小于60mW;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300kHz;綜合考慮,,選擇2N3904和N3906晶體管。
7 改進后的電路圖及性能
根據(jù)前面所述的方法對開始的基本電路進行改進,,得到最后的實用電路,,如圖7所示。電源:+12V,,內(nèi)阻10Ω;輸出信號總諧波失真率約O.05%;輸入阻抗:1.2kΩ,。輸出阻抗:6Ω;輸出電壓:8.3V;最低工作溫度:-30℃。
8 結語
本文從最基本功率放大電路著手,,從多個方面對其進行改進,,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家電網(wǎng)標準的要求和實際應用的需求,。