CN103338012B - 一种电力线载波通信的限流功率放大驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力线载波通信的限流功率放大驱动电路，用于实现电力线载波发送信号的功率放大，并耦合至电力线上。其特征在于该电路包括限流隔直输入电路、第一级偏置放大电路、第二级限流放大电路、第三级功率驱动电路、反馈电路和电力线载波信号耦合电路。该电路中的限流隔直输入电路实现对功放电流输入级的限流保护；第二级限流放大电路提高了第三级功率驱动电路中三极管Q4的基极电压下限，并限制了其最大基极电流，从而使该功放电路避免进入Q4始终导通的工作死区；第二级限流放大电路具有对第三级功率驱动电路的限流作用，避免其中的三极管过载损坏，适用于实际应用现场中多变的载波负载阻抗情况。

Description

一种电力线载波通信的限流功率放大驱动电路

技术领域

本发明涉及一种电力线载波通信的限流功率放大驱动电路，属于电力线载波通信技术领域。

背景技术

因为电力线载波通信具有无需另外架设通信线路、自动适应用户分布、且成本低廉、组网容易的特点，所以电力线载波通信是目前低压自动抄表通信的首选方案，也是当前配网通信的主要方式。为了实现优质的电力线载波通信效果，电力线载波通信发送信号的功率放大驱动电路的设计是电力线载波通信技术研究的重要问题之一。电力线载波通信发送信号的功放电路既需要能够对载波通信发送信号实现功率放大，提高信号幅度，延长传输距离，同时也需要保障发送信号的低谐波和低失真，并且长期运行可靠，避免电流过载损坏。中国发明专利《一种用于电力线多载波通信系统的功率放大电路》（申请号：CA201110458555.7），提出了一种电力线载波通信的功率放大驱动电路，如图1所示。但是，该电路在实际应用中存在三个问题。首先，功放电路的输入级没有限流保护。在启动发送的瞬间，其输入电容C1突然充电，可能会产生瞬间大电流，致使接入此功率放大电路的载波信号生成电路损坏。第二，该功放电路可能进入工作死区，无法输出功率驱动信号。当功放进入工作死区时，图1中R7电阻将三极管Q4的基极电压拉低，从而使Q4始终趋于饱和导通，三极管Q2和Q3难以导通为C3充电，电阻R8和R9连接点维持较低电平，无法输出载波波形。第三，该功放电路如果没有进入死区，但是输出负载阻抗较小时，其末级的三级管Q3和Q4没有限流措施，容易出现因功耗过大导致三级管Q3和Q4的发热损坏。

发明内容

本发明的目的是提出一种电力线载波通信的限流功率放大驱动电路，该电路将解决已有的电力线载波通信的功率放大驱动电路的问题，实现对输入的限流，避免进入工作死区、实现末级三极管驱动的限流保护，避免实际应用中因载波负载阻抗小而导致三极管过载损坏。

本发明提出的一种电力线载波通信的限流功率放大驱动电路，其特征在于，所述功率放大驱动电路包括限流隔直输入电路、第一级偏置放大电路、第二级限流放大电路、第三级功率驱动电路、反馈电路和电力线载波信号耦合电路。

所述限流隔直输入电路包括电阻Ri和电容C1，电阻Ri连接于所述功率放大驱动电路的输入端，电容C1和电阻Ri串联后连接于所述第一级偏置放大电路的输入端。

所述第一级偏置放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和NPN三极管Q1和电容C2。其中，电阻R1和电阻R2串联在电源VCC和地线GND之间，其连接节点作为第一级偏置放大电路的输入端连接所述限流隔直输入电路的电容C1、同时连接三极管Q1的基极，电阻R3连接在电源VCC和三极管Q1的集电极之间，电阻R4和电容C2串联在三极管Q1的发射极和地线GND之间。

所述第二级限流放大电路包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R12、电容C3、二极管D1、二极管D2A、二极管D2B、P-MOS管Q2和NPN三极管Q5。其中，P-MOS管Q2的门极作为第二级限流放大电路的输入端连接所述第一级偏置放大电路中三极管Q1的集电极，电阻R8连接在电源VCC和P-MOS管Q2的源极之间，电容C3连接在P-MOS管Q2的门极和漏极之间，二极管D1的阳极连接P-MOS管Q2的漏极，电阻R6连接在二极管D1的阴极和三极管Q5的集电极之间，电阻R12连接在电源VCC和三极管Q5的基极之间、二极管D2A和二极管D2B沿阳极至阴极方向串联后连接在三极管Q5的发射极和地线GND之间，电阻R7连接在三极管Q5的发射极和地线GND之间，电阻R9的一端连接P-MOS管Q2的漏极。电阻R9的另一端、P-MOS管Q2的漏极、以及三极管Q5的集电极分别作为第二级限流放大电路的输出端V5、V3和V4。

所述第三级功率驱动电路包括顺次串联在电源VCC和地线GND之间的NPN三极管Q3、电阻R10、电阻R11和PNP三极管Q4，三极管Q3的基极连接所述第二级限流放大电路中的输出端V3，三极管Q3的集电极连接电源VCC，三极管Q3的发射极连接电阻R10，三极管Q4的基极连接所述第二级限流放大电路中的输出端V4，三极管Q4的发射极连接电阻R11，三极管Q4的集电极连接地线GND，电阻R10和电阻R11串联的连接节点作为第三级功率驱动电路的输出端连接第二级限流放大电路的输出端V5、反馈电路中的电阻R5和所述电力线载波信号耦合电路的电容C4。

所述反馈电路包括电阻R5，电阻R5连接在所述第一级偏置放大电路中三极管Q1的发射极和所述第三级功率驱动电路的输出端之间。

所述电力线载波信号耦合电路包括电容C4、变压器T1和电容C5，电容C4连接在所述第三级功率驱动电路的输出端和变压器T1低压侧线圈的一端之间，变压器T1低压侧线圈的另一端连接地线GND，变压器T1高压侧线圈的一端和电容C5串联后与变压器T1高压侧线圈的另一端分别接入交流电力线两端。

本发明所述第二级限流放大电路中电阻R6和二极管D1的位置可以互换，即电阻R6连接在P-MOS管Q2的漏极和二极管D1的阳极之间，二极管D1的阴极连接三极管Q5的发射极。

本发明的有益效果表现为三点。第一，所述限流隔直输入电路相比已有功放电路增加了电阻Ri，从而可以在启动发送的瞬间，限制载波信号生成电路对输入电容C1的充电电流，从而避免电路损坏。

第二，所述第二级限流放大电路通过三极管Q5、电阻R12和R7、以及二极管D2A和D2B，设置了第三级功率驱动电路中三极管Q4的基极电压V ₄下限，即

，

其中，V _D2A 和V _D2B 分别是二极管D2A和D2B的导通压降，V _{BE_Q5}和V _{CE(sat)_Q5}分别是三极管Q5的基极-发射极导通压降和集电极-发射极饱和导通压降。并且三极管Q4的基极电流I _{B_Q4}上限也得到限制，即不能超过三极管Q5的集电极电流I ₄：

，

由此，该电路避免了三极管Q4进入始终导通的状态，第三级功率驱动电路的输出端电压将不会被三极管Q4始终拉低，最终避免了整个功放电路进入工作死区。

第三，增加的电阻R8和R9能够限制第三级功率驱动电路的最大输出电流，避免三极管Q3和Q4的过载损坏。三极管Q3和Q4的最大电流及最大功耗发生在第三级功率驱动电路的输出端V5对应载波频带的阻抗为0时。当三极管Q4关断，P-MOS管Q2和三极管Q3导通时，如果忽略P-MOS管Q2的导通压降和三极管Q3的基极电流，则此时三极管Q3的最大电流峰值为：

，

其中V _S 为电源VCC电压，为载波负载阻抗为0时节点V5的直流偏置电压，V _{BE_Q3}为三极管Q3的基极-发射极导通压降，I ₄为三极管Q5的集电极电流。当P-MOS管Q2和三极管Q3关断，三极管Q4导通时，三极管Q4的最大电流峰值为：

，

基于耦合电容充放电的电荷平衡，可得Q3和Q4的峰值平均电流为：

，

依据三极管Q3和Q4的峰值平均电流计算公式可见：增大电阻R8能够通过降低I _{PK_Q3}，减小Q3和Q4的最大输出电流；减小电阻R9能同时降低I _{PK_Q3}和I _{PK_Q4}，从而降低Q3和Q4的最大输出电流；减小电阻R6或增大电阻R11能降低I _{PK_Q4}，从而降低Q3和Q4的最大输出电流；当增加电阻R7时，三极管Q5的集电极电流I ₄减小，能降低I _{PK_Q4}，从而降低Q3和Q4的最大输出电流。但是，电阻R6的阻值大小将影响第三级功率驱动电路输出信号的交越失真。而较大的电阻R11会在电阻R11上消耗较多功耗。因此，本发明功放电路通过电阻R7、R8和R9，能够调节并限制三极管Q3和Q4的峰值平均电流，实现预防三极管Q3和Q4过载损坏的作用。此外，相比图1的已有功放电路，本发明电路中R8和R9的引入会降低第一级偏置放大电路和第二级限流放大电路的开环放大倍数，但该开环放大倍数仍然很大，当载波负载阻抗较大时，R8和R9的引入不会影响载波信号的放大输出波形和功率。

本发明电路中电容对应载波信号频率范围内的阻抗较小，可以忽略，于是本发明功放电路的放大倍数约为：

。

本发明电路中，电阻R6和二极管D1的位置可以互换，只要保持二极管D1的阳极至阴极方向和第二级限流放大电路电流从电源VCC至地线GND的方向一致即可。

附图说明

图1是已有的一种电力线载波通信的限流功率放大驱动电路。

图2是本发明提出的一种电力线载波通信的限流功率放大驱动电路原理图。

图3是本发明提出的一种电力线载波通信的限流功率放大驱动电路的具体实施方式的电路图。

具体实施方式

本发明电力线载波通信的限流功率放大驱动电路的具体实施例的电路图如图3所示。本发明实施例的功率放大电路包括限流隔直输入电路、第一级偏置放大电路、第二级限流放大电路、第三级功率驱动电路、反馈电路和电力线载波信号耦合电路。电源端VCC的电压为V _S =12V。

本发明实施例的限流隔直输入电路包括10Ω的电阻Ri和0.47μF的电容C1，电阻Ri连接于功率放大电路的输入端，电容C1和电阻Ri串联后连接于第一级偏置放大电路输入端。当启动发送的瞬间，输入本功放电路的电压和电容C1左端电压存在3V压差时，电阻Ri可将瞬间电流限制在300mA。

实施例第一级偏置放大电路包括6.8kΩ电阻R1、6.8kΩ电阻R2、2kΩ电阻R3、100Ω电阻R4、BC817型NPN三极管Q1和0.1μF电容C2，其中，电阻R1和电阻R2相互串联、并分别和电源VCC和地线GND连接，电阻R1和R2的连接点作为第一级偏置放大电路的输入端连接电容C1、并连接三极管Q1的基极，电阻R3连接在电源VCC和三极管Q1的集电极之间，电阻R4和电容C2相互串联、并分别与三极管Q1的发射极和地线GND连接。假设，三极管Q1的基极-发射极导通压降V _{BE_Q1}=0.7V，忽略R5上的直流电流，则第三级功率驱动电路的输出端V5的直流偏置电压为：

=5.3V。

实施例第二级限流放大电路包括33Ω电阻R6、51Ω电阻R7、51Ω电阻R8、33Ω电阻R9、10kΩ电阻R12、22pF电容C3、1N4148型二极管D1、包含两个二极管D2A和D2B的BAV99器件、BSS84型P-MOS管Q2和BC817型NPN三极管Q5。其中，P-MOS管Q2的门极连接三极管Q1的集电极，P-MOS管Q2的源极经过电阻R8连接电源VCC。电容C3连接在P-MOS管Q2的门极和漏极之间。二极管D1的阳极连接P-MOS管的漏极。电阻R6连接二极管D1的阴极和三极管Q5的集电极。三极管Q5的基极经过电阻R12连接电源VCC、同时经过二极管D2A和二极管D2B沿阳极至阴极方向串联后连接地线GND，三极管Q5的发射极经过电阻R7后连接地线GND。电阻R9连接在P-MOS管Q2的漏极和第三级功率驱动电路的输出端之间。

实施例第三级功率驱动电路包括顺次串联在电源VCC和地线GND之间的BD237型NPN三极管Q3、1Ω电阻R10、1Ω电阻R11和BD238型PNP三极管Q4。三极管Q3的基极连接P-MOS管Q2的漏极，三极管Q3的集电极连接电源VCC，三极管Q3的发射极连接电阻R10。三极管Q4的基极连接三极管Q5的集电极，三极管Q4的发射极连接电阻R11，三极管Q4的集电极连接地线GND。电阻R10和电阻R11串联的连接节点作为第三级功率驱动电路的输出端连接反馈电路中的电阻R5和电容C4。

实施例反馈电路包括560Ω电阻R5，电阻R5连接在三极管Q1的发射极和第三级功率驱动电路的输出端之间。

实施例电力线载波信号耦合电路包括3.3μF电容C4、变压器T1和0.22μF、额定275V交流电压的安规电容C5。变压器T1的原副边均为22匝，具有低漏磁、低损耗、额定工作频带大于载波信号频率的特性。电容C4连接在第三级功率驱动电路的输出端和变压器T1低压侧线圈的一端之间，变压器T1低压侧线圈的另一端连接地线GND，变压器T1的高压侧线圈的一端和电容C5串联后，变压器T1的高压侧线圈的另一端和电容C5的另一端分别接入市电220V的交流电力线两端。

实施例第二级限流放大电路中二极管D1和电阻R6的位置可以调换，即R6连接在P-MOS管的漏极和二极管D1的阳极之间，而二极管D1的阴极连接三极管Q5的发射极。

依据实施例参数，如果假设二极管D2A和D2B的导通压降V _D2A =V _D2B =0.7V，三极管Q5的基极-发射极导通压降V _{BE_Q4}=0.7V，三极管Q5集电极-发射极饱和导通压降V _{CE(sat)_Q4}=0.7V，则

=1.4V，

第三级功率驱动电路中三极管Q4的基极电压V ₄下限为1.4V。而且，三极管Q4的基极电流I _{B_Q4}上限也得到限制，即不能超过三极管Q5的集电极电流I ₄，即：

=13.7mA，

由此，避免了三极管Q4进入饱和导通，从而避免整个功放电路进入工作死区。

假设实施例的第三级功率驱动电路的输出端V5之后对应载波频带的阻抗为0，当三极管Q4关断，P-MOS管Q2和三极管Q3导通时，如果忽略P-MOS管Q2的导通压降和三极管Q3的基极电流，且三极管Q3的基极-发射极导通压降在集电极较大电流下取V _{BE_Q3}=1.0V，则此时三极管Q3的最大电流峰值为：

=1.357A，

该电流值小于BD237型三极管的最大允许的集电极导通电流值。

当P-MOS管Q2和三极管Q3关断，三极管Q4导通时，二极管D1导通压降取V _D1=0.7V，三极管Q4的发射极-基极导通压降在集电极较大电流下取V _{EB_Q4}=1.0V，三极管Q4的放大倍数取β _Q4=100，则三极管Q4的最大电流峰值为：

=0.366A。

由此可得Q3和Q4的峰值平均电流为：

=0.289A。

本发明实施例将三极管Q3和Q4的平均电流限制在了0.289A，从而避免了三极管Q3和Q4因电流过大而发热损坏。

本发明实施例应用于基于正交频分复用（OFDM）调制方式的电力线载波发送信号的功率放大和电力线耦合，载波信号所用频带范围为220kHz至280kHz，所选器件满足载波频带要求。输入本发明实施例功放电路的载波信号峰峰值在0.8V以内，而本发明实施例的放大倍数约为：

=6.6，

所以功放输出信号峰峰值在5.28V以内。而且，依据本发明实施例的具体电路试验所获得的试验数据与上述分析也吻合。在载波负载阻抗较大时，该功放电路能够正常输出放大的载波信号波形，并具有较小失真度。而在载波负载阻抗较小时，功放输出电流得到抑制，功放三极管得以保护。与此同时，虽然发送的载波信号幅度下降并且失真度增加，但仍然具有一定的信号传送能力。

Claims (2)

1.一种电力线载波通信的限流功率放大驱动电路，其特征在于，所述功率放大驱动电路包括依次输出端和输入端串联的限流隔直输入电路、第一级偏置放大电路、第二级限流放大电路、第三级功率驱动电路、反馈电路和电力线载波信号耦合电路；其中，

所述限流隔直输入电路包括电阻Ri和电容C1，电阻Ri连接于所述功率放大驱动电路的输入端，电容C1和电阻Ri串联后连接于所述第一级偏置放大电路的输入端；

所述第一级偏置放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和NPN三极管Q1和电容C2，其中，电阻R1和电阻R2串联在电源VCC和地线GND之间，其连接节点作为第一级偏置放大电路的输入端连接所述限流隔直输入电路的电容C1、同时连接三极管Q1的基极，电阻R3连接在电源VCC和三极管Q1的集电极之间，电阻R4和电容C2串联在三极管Q1的发射极和地线GND之间；

所述第二级限流放大电路包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R12、电容C3、二极管D1、二极管D2A、二极管D2B、P-MOS管Q2和NPN三极管Q5，其中，P-MOS管Q2的门极作为第二级限流放大电路的输入端连接所述第一级偏置放大电路中三极管Q1的集电极，电阻R8连接在电源VCC和P-MOS管Q2的源极之间，电容C3连接在P-MOS管Q2的门极和漏极之间，二极管D1的阳极连接P-MOS管Q2的漏极，电阻R6连接在二极管D1的阴极和三极管Q5的集电极之间，电阻R12连接在电源VCC和三极管Q5的基极之间、二极管D2A和二极管D2B沿阳极至阴极方向串联后连接在三极管Q5的发射极和地线GND之间，电阻R7连接在三极管Q5的发射极和地线GND之间，电阻R9的一端连接P-MOS管Q2的漏极，电阻R9的另一端、P-MOS管Q2的漏极、以及三极管Q5的集电极分别作为第二级限流放大电路的输出端V5、V3和V4；

所述第三级功率驱动电路包括顺次串联在电源VCC和地线GND之间的NPN三极管Q3、电阻R10、电阻R11和PNP三极管Q4，三极管Q3的基极连接所述第二级限流放大电路中的输出端V3，三极管Q3的集电极连接电源VCC，三极管Q3的发射极连接电阻R10，三极管Q4的基极连接所述第二级限流放大电路中的输出端V4，三极管Q4的发射极连接电阻R11，三极管Q4的集电极连接地线GND，电阻R10和电阻R11串联的连接节点作为第三级功率驱动电路的输出端连接第二级限流放大电路的输出端V5、反馈电路中的电阻R5和所述电力线载波信号耦合电路的电容C4；

所述反馈电路包括电阻R5，电阻R5连接在所述第一级偏置放大电路中三极管Q1的发射极和所述第三级功率驱动电路的输出端之间；

所述电力线载波信号耦合电路包括电容C4、变压器T1和电容C5，电容C4连接在所述第三级功率驱动电路的输出端和变压器T1低压侧线圈的一端之间，变压器T1低压侧线圈的另一端连接地线GND，变压器T1高压侧线圈的一端和电容C5串联后与变压器T1高压侧线圈的另一端分别接入交流电力线两端。

2.根据权利要求1所述的一种电力线载波通信的限流功率放大驱动电路，其特征在于，所述第二级限流放大电路中电阻R6和二极管D1的位置互换，电阻R6连接在P-MOS管Q2的漏极和二极管D1的阳极之间，二极管D1的阴极连接三极管Q5的发射极。