|
來(lái)源：DigiKey 作者：Kenton Williston 像智能電網(wǎng)、智能電表和智能路燈這樣的智能能源基礎設施裝置都需要可靠、經(jīng)濟、安全的通信。雖然無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以發(fā)揮作用，但其脆弱性、成本和覆蓋范圍的限制帶來(lái)了巨大挑戰。電力線(xiàn)通信 (PLC) 技術(shù)可通過(guò)現有的電力線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，是實(shí)現關(guān)鍵通信的良好基礎技術(shù)。 盡管 PLC 的定義明確且應用廣泛，但設計人員仍需注意一些可能破壞通信的問(wèn)題，如信號衰減、噪聲和瞬態(tài)電壓。要解決這些問(wèn)題，就需要切實(shí)有效的解決方案，以確保最佳性能。PLC 變壓器和 GMOV 過(guò)壓保護器就是其中的兩種解決方案。 PLC 變壓器經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可將窄帶 (NB) 應用中的插損降至最低。它們還能減少電隔離和電磁干擾 (EMI) ，提高信號質(zhì)量和可靠性。GMOV 是一種混合過(guò)壓保護元件，結合了氣體放電管 (GDT) 和金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)。其設計克服了標準 MOV 的局限性和故障問(wèn)題，因為標準 MOV 在惡劣和不受控制環(huán)境中容易發(fā)生降級和熱擊穿。 本文簡(jiǎn)要回顧了 PLC 的工作原理及其適合智能基礎設施的原因。然后介紹了 Bourns 提供的 PLC 變壓器和 GMOV 保護器實(shí)例器件，說(shuō)明它們的工作原理，并介紹對之進(jìn)行選擇和應用時(shí)應考慮的一些因素。 PLC 操作、應用和挑戰 在 PLC 系統中，所要傳輸的數據要先調制到載波信號中，然后再注入電力線(xiàn)。不同應用的細節差別很大，但 IEEE 1901.2 是全球電網(wǎng)標準。該標準規定了低頻（≤ 500 千赫茲 (kHz)）窄帶通信速率最高 500 千比特/秒(Kb/s)，適用于智能電網(wǎng)、智能電表和智能街道照明等應用。 盡管 PLC 技術(shù)已被證明是智能能源基礎設施設計人員的有用解決方案，但它也并非沒(méi)有挑戰。設計障礙包括信號衰減、噪聲和瞬態(tài)電壓，所有這些都會(huì )大大降低通信質(zhì)量和可靠性。具體而言： · 信號衰減是一個(gè)問(wèn)題，因為 PLC 信號使用的線(xiàn)路是為輸電而設計的，而不是為數據設計的。這些線(xiàn)路的阻抗特性會(huì )造成相當大的衰減，尤其是在長(cháng)距離上。由此造成的信號強度下降會(huì )降低有效范圍，并可能導致數據丟失或出錯。 · 噪聲有多種來(lái)源，如連接到電力線(xiàn)上的電子設備、供電變化和外部 EMI。PLC 數據信號的頻率相對較高，因此特別容易受到非屏蔽電網(wǎng)中這些噪聲源的影響。 · 雷擊或感性負載開(kāi)關(guān)可能會(huì )導致瞬態(tài)電壓。這種瞬態(tài)會(huì )在電力線(xiàn)上產(chǎn)生高電壓，可能會(huì )損壞 PLC 調制解調器。 在應對 PLC 系統面臨的挑戰時(shí)，設計人員可以采用兩種關(guān)鍵技術(shù)：PLC 變壓器和 GMOV 保護器。這兩個(gè)組件在確保 PLC 系統的可靠性、性能和安全性方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。 設計評審：耦合電路中的 PLC 變壓器和 GMOV 為了說(shuō)明 PLC 變壓器和 GMOV 可以解決的問(wèn)題，請參看圖 1 所示的耦合電路。該電路必須將 PLC 調制解調器 (ZModule) 與電力線(xiàn) (ZLine) 隔離，同時(shí)為數據信號提供路徑。在此過(guò)程中，耦合電路必須同時(shí)處理高頻、低功率通信信號和低頻、高功率交流電。 
圖 1：所示為帶浪涌保護功能的簡(jiǎn)化耦合電路，可將 PLC 調制解調器 (ZModule) 與電力線(xiàn) (ZLine) 隔離，同時(shí)還能為數據信號提供路徑。（圖片來(lái)源：Bourns） PLC 變壓器 (T1) 在 PLC 調制解調器和電力線(xiàn)之間提供電隔離，幫助將 PLC 與交流電網(wǎng)分開(kāi)。這些變壓器有一個(gè)重要特征，就是插損極小，因此減少了信號失真和衰減。例如，圖 2 顯示了 Bourns 的 PFB 系列 PLC 變壓器的性能，適用于 500 kHz 以下的窄帶應用。此外，PLC 變壓器抑制電磁干擾的能力也有助于降低噪音，從而提高通信的可靠性和效率。
圖 2：所示為專(zhuān)為 500 kHz 以下窄帶應用定制的 PFB 系列 PLC 變壓器的插損與頻率關(guān)系圖。（圖片來(lái)源：Bourns） 在圖 1 中，瞬態(tài)電壓同樣由 GMOV 保護器處理（圖 3）。這種新型器件是一種混合過(guò)壓保護元件，集成了 MOV 的快速響應和 GDT 的高浪涌電流處理能力。這種組合可提供強大的保護，防止雷擊或開(kāi)關(guān)事件引起的瞬態(tài)電壓損壞 PLC 系統中的電子電路。 在 GMOV 中，MOV 和 GDT 元件采用串聯(lián)配置進(jìn)行容性耦合。在低頻條件下，GMOV 元件的電壓限制等于 MOV 和 GDT 元件的電壓限制之和。
圖 3：GMOV 結合了 MOV 的快速響應和 GDT 的高浪涌電流處理能力。（圖片來(lái)源：Bourns） 與容易降級和熱擊穿的標準 MOV 不同，GMOV 保護器的設計能夠承受惡劣和不受控的環(huán)境。MOV 元件可將過(guò)高電壓箝位到安全水平，而 GDT 則可在極端浪涌條件下起到故障保護作用。這一功能可將過(guò)多的能量從 MOV 上引開(kāi)，從而延長(cháng)其使用壽命，降低系統故障的可能性。 PLC 變壓器和 GMOV 保護器的設計考慮因素 為 PLC 系統設計線(xiàn)路耦合電路需要仔細考慮關(guān)鍵元件及其相互作用。以下是設計中需要考慮的一些問(wèn)題。 PLC 系統要求：在開(kāi)始設計流程之前，要清楚地了解 PLC 系統的要求。這包括所需的數據傳輸速率、工作范圍、工作的電力線(xiàn)類(lèi)型以及所處的環(huán)境條件。 安全與合規：對于用戶(hù)或維護人員可能接觸到的設計部分，安全問(wèn)題尤為重要。根據應用的不同，設計可能需要符合 EN 62368-1（信息技術(shù)和視聽(tīng)設備）或 EN 61885（通信網(wǎng)絡(luò )和電力設施自動(dòng)化）規范要求。 從通信角度來(lái)看，設計通常必須符合歐洲 CENELEC EN 50065-1 標準，該標準規定了最大信號電平和允許的載波頻段。 選擇 PLC 變壓器：檢查變壓器是否符合工作頻率、電壓和阻抗要求。例如，前面提到的 Bourns PFB 系列針對 NB PLC (NB-PLC) 應用進(jìn)行了優(yōu)化，使其適用于遠距離操作。PFB 系列支持低壓和中壓范圍，可用于室內和室外環(huán)境。 請務(wù)必選擇匝數比能使 PLC 調制解調器阻抗與電力線(xiàn)阻抗相匹配的變壓器。很多時(shí)候，調制解調器的阻抗無(wú)法改變，因此必須仔細選擇變壓器，以實(shí)現阻抗匹配，從而有效傳輸信號。 此外，還要考慮應用環(huán)境。例如，PFB 系列有標準型和加長(cháng)型兩種。標準型 PFBR45-ST13150S 專(zhuān)為在安全外殼內使用而設計，而加長(cháng)型 PFB45-SP13150S 則增加了安全功能，可用于維護工人或用戶(hù)可能接觸到的區域。后一種型號的增強絕緣可防止電擊，并將最終用戶(hù)與危險的輸入電壓隔離開(kāi)來(lái)。圖 4 說(shuō)明了這兩種模式的主要特點(diǎn)。
圖 4：與 PFBR45-ST13150S 相比，加長(cháng)型 PFB45-SP13150S PLC 變壓器具有更強的安全功能。（圖片來(lái)源：Bourns） 選擇 GMOV 保護器：在選擇合適的保護器時(shí)，要考慮系統可能面臨的電涌和瞬態(tài)電壓類(lèi)型。例如，Bourns 提供 14 毫米 (mm) 的 GMOV 保護器（如 GMOV-14D301K），可支持 6 千安 (kA) 的浪涌電流，以及 20 毫米 (mm) 的變型（如 GMOV-20D151K），可支持 10 千安的浪涌電流。值得注意的是，14 mm 和 20 mm 變型在尺寸和封裝上都與標準 MOV 兼容。圖 5 提供了這些器件的完整可用配置列表。
圖 5：GMOV 保護器有 14 mm 和 20 mm 兩種型號，后者可支持更大的浪涌電流。（圖片來(lái)源：Bourns） 同樣重要的是，要注意電容和漏電流。高電容會(huì )阻礙 PLC 系統的數據傳輸。Bourns GMOV 保護器的電容小于 2 皮法 (pF)，可將信號失真降至最低，這意味著(zhù)它不會(huì )對電力線(xiàn)上的數據傳輸造成明顯影響。 Bourns GMOV 保護器的漏電流也小于 1 微安 (µA)。雖然泄漏看似小事一樁，但在城市規模的應用中，泄漏加起來(lái)就不容小覷了。例如，在路燈應用中，漏電流為 10 微安，乘以典型城市地區的一百萬(wàn)盞路燈，泄漏造成的能量損失就非�？捎^(guān)。 結語(yǔ) 隨著(zhù)以智能電網(wǎng)、智能電表和智能路燈為特征的智能能源基礎設施的出現，可靠、經(jīng)濟、高效的通信系統成為人們關(guān)注的需求焦點(diǎn)。綜上所述，PLC 就是一個(gè)合適的選擇，特別是在有專(zhuān)門(mén)的 PLC 變壓器和 GMOV 保護器的支持下，可確保信號質(zhì)量和可靠性，防止瞬變或浪涌，同時(shí)最大限度地減少漏電流。 |
