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(chǔ)設(shè)施裝置都需要可靠、經(jīng)濟(jì)、安全的通信。雖然無線技術(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了巨大挑戰(zhàn)。電力線通信 (PLC) 技術(shù)可通過現(xiàn)有的電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵通信的良好基礎(chǔ)技術(shù)。
(資料圖)
盡管 PLC 的定義明確且應(yīng)用廣泛，但設(shè)計(jì)人員仍需注意一些可能破壞通信的問題，如信號衰減、噪聲和瞬態(tài)電壓。要解決這些問題，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 過壓保護(hù)器就是其中的兩種解決方案。
PLC 變壓器經(jīng)過優(yōu)化，可將窄帶 (NB) 應(yīng)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 是一種混合過壓保護(hù)元件，結(jié)合了氣體放電管 (GDT) 和金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)。其設(shè)計(jì)克服了標(biāo)準(zhǔn) MOV 的局限性和故障問題，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn) MOV 在惡劣和不受控制環(huán)境中容易發(fā)生降級和熱擊穿。
本文簡要回顧了 PLC 的工作原理及其適合智能基礎(chǔ)設(shè)施的原因。然后介紹了 Bourns 提供的 PLC 變壓器和 GMOV 保護(hù)器實(shí)例器件，說明它們的工作原理，并介紹對之進(jìn)行選擇和應(yīng)用時應(yīng)考慮的一些因素。
PLC 操作、應(yīng)用和挑戰(zhàn)
在 PLC 系統(tǒng)中，所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)要先調(diào)制到載波信號中，然后再注入電力線。不同應(yīng)用的細(xì)節(jié)差別很大，但 IEEE 是全球電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(yīng)用。
盡管 PLC 技術(shù)已被證明是智能能源基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)人員的有用解決方案，但它也并非沒有挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)障礙包括信號衰減、噪聲和瞬態(tài)電壓，所有這些都會大大降低通信質(zhì)量和可靠性。具體而言：
· 信號衰減是一個問題，因?yàn)?PLC 信號使用的線路是為輸電而設(shè)計(jì)的，而不是為數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的。這些線路的阻抗特性會造成相當(dāng)大的衰減，尤其是在長距離上。由此造成的信號強(qiáng)度下降會降低有效范圍，并可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或出錯。
· 噪聲有多種來源，如連接到電力線上的電子設(shè)備、供電變化和外部 EMI。PLC 數(shù)據(jù)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(fù)載開關(guān)可能會導(dǎo)致瞬態(tài)電壓。這種瞬態(tài)會在電力線上產(chǎn)生高電壓，可能會損壞 PLC 調(diào)制解調(diào)器。
在應(yīng)對 PLC 系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)時，設(shè)計(jì)人員可以采用兩種關(guān)鍵技術(shù)：PLC 變壓器和 GMOV 保護(hù)器。這兩個組件在確保 PLC 系統(tǒng)的可靠性、性能和安全性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
設(shè)計(jì)評審：耦合電路中的 PLC 變壓器和 GMOV
為了說明 PLC 變壓器和 GMOV 可以解決的問題，請參看圖 1 所示的耦合電路。該電路必須將 PLC 調(diào)制解調(diào)器 (ZModule) 與電力線 (ZLine) 隔離，同時為數(shù)據(jù)信號提供路徑。在此過程中，耦合電路必須同時處理高頻、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(hù)功能的簡化耦合電路，可將 PLC 調(diào)制解調(diào)器 (ZModule) 與電力線 (ZLine) 隔離，同時還能為數(shù)據(jù)信號提供路徑。（圖片來源：Bourns）
PLC 變壓器 (T1) 在 PLC 調(diào)制解調(diào)器和電力線之間提供電隔離，幫助將 PLC 與交流電網(wǎng)分開。這些變壓器有一個重要特征，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(yīng)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：所示為專為 500 kHz 以下窄帶應(yīng)用定制的 PFB 系列 PLC 變壓器的插損與頻率關(guān)系圖。（圖片來源：Bourns）
在圖 1 中，瞬態(tài)電壓同樣由 GMOV 保護(hù)器處理（圖 3）。這種新型器件是一種混合過壓保護(hù)元件，集成了 MOV 的快速響應(yīng)和 GDT 的高浪涌電流處理能力。這種組合可提供強(qiáng)大的保護(hù)，防止雷擊或開關(guān)事件引起的瞬態(tài)電壓損壞 PLC 系統(tǒng)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(jié)合了 MOV 的快速響應(yīng)和 GDT 的高浪涌電流處理能力。（圖片來源：Bourns）
與容易降級和熱擊穿的標(biāo)準(zhǔn) MOV 不同，GMOV 保護(hù)器的設(shè)計(jì)能夠承受惡劣和不受控的環(huán)境。MOV 元件可將過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(hù)作用。這一功能可將過多的能量從 MOV 上引開，從而延長其使用壽命，降低系統(tǒng)故障的可能性。
PLC 變壓器和 GMOV 保護(hù)器的設(shè)計(jì)考慮因素
為 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)線路耦合電路需要仔細(xì)考慮關(guān)鍵元件及其相互作用。以下是設(shè)計(jì)中需要考慮的一些問題。
PLC 系統(tǒng)要求：在開始設(shè)計(jì)流程之前，要清楚地了解 PLC 系統(tǒng)的要求。這包括所需的數(shù)據(jù)傳輸速率、工作范圍、工作的電力線類型以及所處的環(huán)境條件。
安全與合規(guī)：對于用戶或維護(hù)人員可能接觸到的設(shè)計(jì)部分，安全問題尤為重要。根據(jù)應(yīng)用的不同，設(shè)計(jì)可能需要符合 EN 62368-1（信息技術(shù)和視聽設(shè)備）或 EN 61885（通信網(wǎng)絡(luò)和電力設(shè)施自動化）規(guī)范要求。
從通信角度來看，設(shè)計(jì)通常必須符合歐洲 CENELEC EN 50065-1 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，使其適用于遠(yuǎn)距離操作。PFB 系列支持低壓和中壓范圍，可用于室內(nèi)和室外環(huán)境。
請務(wù)必選擇匝數(shù)比能使 PLC 調(diào)制解調(diào)器阻抗與電力線阻抗相匹配的變壓器。很多時候，調(diào)制解調(diào)器的阻抗無法改變，因此必須仔細(xì)選擇變壓器，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，從而有效傳輸信號。
此外，還要考慮應(yīng)用環(huán)境。例如，PFB 系列有標(biāo)準(zhǔn)型和加長型兩種。標(biāo)準(zhǔn)型 PFBR45-ST13150S 專為在安全外殼內(nèi)使用而設(shè)計(jì)，而加長型 PFB45-SP13150S 則增加了安全功能，可用于維護(hù)工人或用戶可能接觸到的區(qū)域。后一種型號的增強(qiáng)絕緣可防止電擊，并將最終用戶與危險的輸入電壓隔離開來。圖 4 說明了這兩種模式的主要特點(diǎn)。
圖 4：與 PFBR45-ST13150S 相比，加長型 PFB45-SP13150S PLC 變壓器具有更強(qiáng)的安全功能。（圖片來源：Bourns）
選擇 GMOV 保護(hù)器：在選擇合適的保護(hù)器時，要考慮系統(tǒng)可能面臨的電涌和瞬態(tài)電壓類型。例如，Bourns 提供 14 毫米 (mm) 的 GMOV 保護(hù)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(biāo)準(zhǔn) 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(hù)器有 14 mm 和 20 mm 兩種型號，后者可支持更大的浪涌電流。（圖片來源：Bourns）
同樣重要的是，要注意電容和漏電流。高電容會阻礙 PLC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。Bourns GMOV 保護(hù)器的電容小于 2 皮法 (pF)，可將信號失真降至最低，這意味著它不會對電力線上的數(shù)據(jù)傳輸造成明顯影響。
Bourns GMOV 保護(hù)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(guī)模的應(yīng)用中，泄漏加起來就不容小覷了。例如，在路燈應(yīng)用中，漏電流為 10 微安，乘以典型城市地區(qū)的一百萬盞路燈，泄漏造成的能量損失就非常可觀。
結(jié)語
隨著以智能電網(wǎng)、智能電表和智能路燈為特征的智能能源基礎(chǔ)設(shè)施的出現(xiàn)，可靠、經(jīng)濟(jì)、高效的通信系統(tǒng)成為人們關(guān)注的需求焦點(diǎn)。綜上所述，PLC 就是一個合適的選擇，特別是在有專門的 PLC 變壓器和 GMOV 保護(hù)器的支持下，可確保信號質(zhì)量和可靠性，防止瞬變或浪涌，同時最大限度地減少漏電流。
關(guān)鍵詞：
