CN103973242B - 一种电力线载波功率放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电力线载波通信技术，提供了一种电力线载波功率放大电路，包括使能开关、低通滤波模块、前级电压放大模块、功率放大模块和信号耦合模块；使能开关的第一端输入电源电压，其第二输出端连接前级电压放大模块的第一端；低通滤波模块的第一端连接调制载波信号输入端，其第二端连接前级电压放大模块的第二端；功率放大模块的第二端连接前级电压放大模块的第三端，其第三端连接信号耦合模块的第一端；信号耦合模块的第二端连接电力线的火线，其第三端连接电力线的零线。电力线载波功率放大电路能将干扰源阻挡在产品入口的前缘，以实现对载波功率放大电路的保护。

Description

一种电力线载波功率放大电路

技术领域

本发明涉及电力线载波通信技术，尤其涉及一种电力线载波功率放大电路。

背景技术

电力线载波通信技术是一种通过市电的供电线路来进行数据通信的技术，此技术将数据调制到一个与市电频率(50Hz或60Hz)不同的正弦波载波上。在电力线载波通信系统中，市电电网上存在各种各样的干扰源，比如，各种劣质开关电源带来的电磁干扰、各种用电设备的启动和停止带来的冲击、各种容性、感性负载的瞬间接入引起负载的变化、电动车充电器充电时产生的干扰等。这些干扰不仅对电力线载波通信的性能造成影响，甚至有些干扰源能直接穿透电力线载波通信产品上的功率放大电路，导致产品的直接烧毁。因此，为了使产品能够抵御各种干扰的冲击而不损坏，同时确保通信效果不受影响，对电力线载波功率放大电路便有了更高的要求。

现有的电力线载波功率放大电路要么采用单电源供电的分立元件OTL(OutputTransformer Less，单电源无输出变压器)载波功率放大电路，要么采用音频功放芯片设计的功率放大电路。目前使用的几种功率放大电路在良好的电网环境下能正常工作，但在强干扰源环境下，比如电瓶车充电器的干扰，则会瞬间被热击穿而烧毁。

电力线载波通信技术越来越多的应用到全国智能电表中，实现了电力线远程智能抄表。另一方面电网中强干扰源仍存在并且不断升级，特别是电瓶车在全国的推广应用，尤其在城镇及农村地区，对电力线载波产品造成极大的危害，给各电力局及各厂家带来的售后及维修工作量也是巨大，且严重影响电力线远程智能抄表的推广。针对这种现象，市面上也有一些改良方案的产生，但效果不明显，虽然能抑制一定量的干扰，但电路上的元器件温升会高出产品的温升要求；或者会衍生其他负面影响，比如影响载波发送性能等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种电力线载波功率放大电路，旨在抵御强干扰，使产品在正常工作、免受其害的前提下还能保证载波发送性能。

本发明是这样实现的，一种电力线载波功率放大电路，包括使能开关、低通滤波模块、前级电压放大模块、功率放大模块和信号耦合模块；

所述使能开关的第一端输入电源电压，所述使能开关的第二端连接所述前级电压放大模块的第一端，所述使能开关还连接用于控制电源通断的使能控制信号输入端；

所述低通滤波模块的第一端连接调制载波信号输入端，所述低通滤波模块的第二端连接所述前级电压放大模块的第二端；

所述功率放大模块的第一端输入所述电源电压，所述功率放大模块的第二端连接所述前级电压放大模块的第三端，所述功率放大模块的第三端连接所述信号耦合模块的第一端；

所述信号耦合模块的第二端连接电力线的火线，所述信号耦合模块的第三端连接电力线的零线。

进一步地，所述电力线载波功率放大电路还包括带通滤波模块，所述带通滤波模块连接在所述功率放大模块和所述信号耦合模块之间，所述带通滤波模块的第一端连接所述功率放大模块的第三端，所述带通滤波模块的第二端连接所述信号耦合模块的第一端。

进一步地，所述使能开关包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R5、NPN型的三极管Q1、PNP型的三极管Q2和二极管D1；

所述电阻R1的一端连接使能控制信号输入端，所述电阻R1的另一端接地；

所述三极管Q1的基极通过所述电阻R2接入所述使能控制信号输入端，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极连接所述二极管D1的阳极；所述二极管D1的阴极通过所述电阻R3、电阻R5连接所述电源电压；

所述三极管Q2的基极连接所述电阻R3的一端，所述三极管Q2的发射极连接所述电源电压，所述三极管Q2的集电极连接所述前级电压放大模块的第一端。

进一步地，所述低通滤波模块包括电容C1、电容C6、电容C7和电感L1；

所述电容C6的一端接所述调制载波信号输入端，所述电容C6的另一端接地；

所述电感L1的一端接所述调制载波信号输入端，所述电感L1的另一端接所述电容C1的一端；所述电容C1的另一端接所述前级电压放大模块的第二端；

所述电容C7的一端接所述电感L1的另一端，所述电容C7的另一端接地。

进一步地，所述前级电压放大模块包括电阻R4、电阻R6、电阻R8、电阻R9、电容C8、NPN型的三极管Q3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、二极管D2、二极管D3、二极管D4、PNP型的三极管Q4、NPN型的三极管Q6和电容C2；

所述三极管Q3的基极接所述低通滤波模块的第二端，所述三极管Q3的发射极通过所述电阻R9和所述电容C8接地，所述三极管Q3的集电极通过所述电阻R6和所述电阻R4接所述低通滤波模块的第二端，所述电阻R8的一端接所述低通滤波模块的第二端，所述电阻R8的另一端接地；

所述三极管Q4的基极接所述三极管Q3的集电极，所述三极管Q4的发射极通过所述电阻R4接所述低通滤波模块的第二端，所述三极管Q4的集电极通过所述二极管D2接所述三极管Q6的集电极，所述电容C3连接在所述三极管Q4的基极和集电极之间；

所述三极管Q6的基极通过所述电阻R10和所述电阻R4接所述低通滤波模块的第二端，所述三极管Q6的发射极通过所述电阻R12接地；

所述二极管D3的阳极接所述三极管Q6的基极，所述二极管D3的阴极接所述二极管D4的阳极，二极管D4的阴极接地；所述电阻R11的一端接所述三极管Q3的发射极，所述电阻R11的另一端接所述功率放大模块的第二端。

进一步地，功率放大模块包括NPN型的三极管Q5、电容C9和PNP型的三极管Q7；

所述三极管Q5的基极接所述前级电压放大模块，所述三极管Q5的发射极接所述三极管Q7的发射极，所述三极管Q5的集电极接所述电源电压；

所述三极管Q7的基极接所述前级电压放大模块的第二端，所述三极管Q7的发射极接所述电容C9的一端，所述三极管Q7的集电极接地，所述电容C9的另一端接所述带通滤波模块的第一端。

进一步地，所述信号耦合模块包括电容C12、电感L4、耦合线圈BT1和TVS管；

所述TVS管的一端接所述耦合线圈BT1中第一线圈N1的一端，所述TVS管的另一端接所述耦合线圈BT1中第一线圈N1的另一端，所述TVS管的另一端同时接地；

所述耦合线圈BT1中第二线圈N2的一端通过所述电容C12和所述电感L4接所述电力线的火线，所述耦合线圈BT1中第二线圈N2的另一端接所述电力线的零线。

进一步地，所述带通滤波模块包括电感L2、电容C10、电容C11和电感L3；

所述电感L2的一端接所述功率放大模块的第三端，所述电感L2的另一端接所述电容C10的一端，所述电容C10的另一端接所述电感L3的一端；

所述电容C11的一端接所述电容C10的另一端，所述电容C11的另一端接所述电感L3的另一端。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：所述的电力线载波功率放大电路使用信号耦合模块和带通滤波模块对电网干扰源进行泄和阻，将干扰源阻挡在产品入口的前缘，以实现对载波功率放大电路的保护，既能完全抵御强干扰，又能避免智能电表受干扰源的危害，同时还能使电力线远程抄表更顺畅，极大减少了电力局及厂家的售后维护工作量。

附图说明

图1是本发明电力线载波功率放大电路中各个电路之间连接关系的框图；

图2是本发明电力线载波功率放大电路的详细电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明一较佳的实施例，一种电力线载波功率放大电路，包括使能开关101、低通滤波模块102、前级电压放大模块103、功率放大模块104和信号耦合模块106。使能开关101的第一端输入电源电压VCC，使能开关101的第二端连接前级电压放大模块103的第一端，使能开关101还连接用于控制电源通断的使能控制信号输入端。低通滤波模块102的第一端连接调制载波信号输入端，低通滤波模块102的第二端连接前级电压放大模块103的第二端。功率放大模块104的第一端输入电源电压VCC，功率放大模块104的第二端连接前级电压放大模块103的第三端，功率放大模块104的第三端连接信号耦合模块106的第一端。信号耦合模块106的第二端连接电力线的火线L，信号耦合模块106的第三端连接电力线的零线N。

电力线载波功率放大电路还包括带通滤波模块105，带通滤波模块105连接在功率放大模块104和信号耦合模块106之间，带通滤波模块105的第一端连接功率放大模块104的第三端，带通滤波模块105的第二端连接信号耦合模块106的第一端。

从芯片出来的调制载波信号经过低通滤波模块102后滤除信号中的谐波成份，再由前级电压放大模块103对信号进行电压放大，此时放大后的信号幅值虽高但驱动能力差，带负载能力弱。再经过功率放大模块104对电压放大后的信号进行功率放大，以增强驱动能力，经过功率放大后的信号会再通过一带通滤波模块105，带通滤波模块105对放大信号中的谐波成份进行滤波处理，再通过信号耦合模块106将纯净的载波信号耦合到市电线上进行传输，从而实现将载波信号调制到220V市电上。电力线载波功率放大电路的功能是将芯片发出的调制载波信号放大然后耦合到市电电网上，同时电力线载波功率放大电路中的带通滤波模块105和信号耦合模块106会从市电电网上接收同频点的有用载波信号，然后送至芯片接收端进行解调。

如图2所示，使能开关101平时处于断开状态，当载波要发送数据时才处于工作状态。使能开关101为前级电压放大模块103的供电开关，用于对电源供电进行保护，限制载波发送对电源功率的吸取。使能开关101包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R5、NPN型的三极管Q1、PNP型的三极管Q2和二极管D1。电阻R1的一端连接使能控制信号输入端，即整个功率放大电路的前级使能控制信号TX_Enable，电阻R1的另一端接地。三极管Q1的基极通过电阻R2接入使能控制信号输入端，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极连接二极管D1的阳极；所述二极管D1的阴极通过电阻R3、电阻R5连接电源电压VCC。三极管Q2的基极连接电阻R3的一端，三极管Q2的发射极连接电源电压VCC，三极管Q2的集电极连接前级电压放大模块103的第一端，即三极管Q2的集电极通过电阻R6连接三极管Q3的集电极。电容C4、电容C5和电阻R7相并联，其并联后的一端接电源电压VCC，其并联后的另一端接地。

低通滤波模块102包括电容C1、电容C6、电容C7和电感L1。电容C6的一端接调制载波信号输入端，即芯片所发出来的调制载波信号Siganl in，电容C6的另一端接地。电感L1的一端接调制载波信号输入端，电感L1的另一端接电容C1的一端；电容C1的另一端接前级电压放大模块103的第二端，即电容C1的另一端接三极管Q3的基极。电容C7的一端接电感L1的另一端，电容C7的另一端接地。

前级电压放大模块103包括电阻R4、电阻R6、电阻R8、电阻R9、电容C8、NPN型的三极管Q3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、二极管D2、二极管D3、二极管D4、PNP型的三极管Q4、NPN型的三极管Q6和电容C2。三极管Q3的基极接低通滤波模块102的第二端，三极管Q3的发射极通过电阻R9和电容C8接地，三极管Q3的集电极通过电阻R6和电阻R4接低通滤波模块的第二端，电阻R8的一端接低通滤波模块102的第二端，电阻R8的另一端接地。三极管Q4的基极接三极管Q3的集电极，三极管Q4的发射极通过电阻R4接低通滤波模块102的第二端，即三极管Q4的发射极通过电阻R4接电容C1的另一端，所述三极管Q4的集电极通过二极管D2接三极管Q6的集电极，电容C3连接在三极管Q4的基极和集电极之间。三极管Q6的基极通过电阻R10和电阻R4接低通滤波模块102的第二端，三极管Q6的发射极通过电阻R12接地。二极管D3的阳极接三极管Q6的基极，二极管D3的阴极接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极接地。电阻R11的一端接三极管Q3的发射极，电阻R11的另一端接功率放大模块的第二端。

功率放大模块104包括NPN型的三极管Q5、电容C9和PNP型的三极管Q7。三极管Q5的基极接前级电压放大模块，三极管Q5的发射极接三极管Q7的发射极，三极管Q5的集电极接电源电压VCC。三极管Q7的基极接前级电压放大模块103的第二端，三极管Q7的发射极接电容C9的一端，三极管Q7的集电极接地，电容C9的另一端接带通滤波模块105的第一端。

带通滤波模块105包括电感L2、电容C10、电容C11和电感L3。电感L2的一端接功率放大模块104的第三端，电感L2的另一端接电容C10的一端，电容C10的另一端接电感L3的一端。电容C11的一端接电容C10的另一端，电容C11的另一端接电感L3的另一端。

信号耦合模块106包括电容C12、电感L4、耦合线圈BT1和TVS管。所述电容C12为安规电容，用于阻市电50HZ交流。所述耦合线圈BT1用于隔离市电与载波低压系统。TVS管的一端接耦合线圈BT1中第一线圈N1的一端，TVS管的另一端接耦合线圈BT1中第一线圈N1的另一端，TVS管的另一端同时接地。耦合线圈BT1中第二线圈N2的一端通过电容C12和电感L4接电力线的火线，耦合线圈BT1中第二线圈N2的另一端接电力线的零线N。

在信号耦合电路中，调节电感L4与安规电容C12，让其串联谐振在载波中心频点上，同时调整耦合线圈BT1的线圈匝数。干扰源从强电侧的回路(L-L4-C12-N2-N)来看，干扰信号先通过串联谐振再到第二线圈N2，然后返回到市电上。由于串联谐振只对载波有用信号的中心频率呈现低阻抗，而对干扰信号来说会呈现较大的阻抗，另外，由于第二线圈N2匝数少，呈现的感抗低，因此干扰信号在此处会得到比较大的衰减，剩余的干扰信号会再经过BT1耦合到弱电系统一侧。进入弱电侧的干扰信号经过TVS管的箝位及电感L3和电容C11的并联谐振更进一步吸收后，依然会有一部分残留干扰信号进入功率放大模块104。由于某些干扰源能直接穿透功率放大模块104中的三极管，进而会产生一条大电流、低阻抗的回路，会造成功率放大模块上的三极管发热并烧毁的现象。本发明在功率放大模块104与信号耦合模块106之间加入了带通滤波模块105，带通滤波模块105上的电感L2和电容C10谐振在载波频点上，对有用的载波信号呈现出很小的衰减，而对频带外的干扰信号有较强的阻碍作用，呈现出较大的阻抗。因此，残留干扰信号在进入功率放大模块104时，相当于中间插入一个大的衰减，无法形成大电流冲击回路，以实现将干扰信号阻挡在功率放大模块104之外。对于干扰源，强电侧采用“泄”的方式，让干扰源在前端先大幅衰减，弱电侧采用“阻”的方式，整个电路呈现高阻抗，让干扰源没有低阻的泄放流通路径，从而无法形成大电流冲击、无法造成器件温升。

使能开关101、低通滤波模块102、前级电压放大模块103和功率放大模块104部分还可以采用其它的电路形式，比如，采用功放芯片(芯片内包含前级电压驱动及后级功率放大部分及使能控制电路)的单电源电力线载波功率放大电路，或者采用双电源供电的功率放大电路。

所述的电力线载波功率放大电路不受功放类型的影响、不受干扰源类型的影响、不受电力线载波调制方式的影响，对电网干扰源采取“泄”和“阻”两种方式，将干扰源阻挡在产品入口的前缘，以实现对载波功率放大电路的保护，既能在静态(载波不发送、处于接收准备状态时)抵御强干扰的冲击，也能在面对强干扰源的冲击时，继续启动载波抄表工作，完全不受强干扰源的影响，产品器件也不会损坏、温升也满足产品的温升要求，同时也不影响原有产品的电力线载波性能。

从经济效益来看，所述的电力线载波功率放大电路能使智能电表免受损坏，每年能省一笔相当巨大的电表更换的支出费用；其次，使远程抄表更加顺畅，大大地减少了售后维护的工作量，进而大幅度的降低了售后维护成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电力线载波功率放大电路，其特征在于，包括使能开关、低通滤波模块、前级电压放大模块、功率放大模块、信号耦合模块和带通滤波模块；

所述使能开关的第一端输入电源电压，所述使能开关的第二端连接所述前级电压放大模块的第一端，所述使能开关还连接用于控制电源通断的使能控制信号输入端；

所述低通滤波模块的第一端连接调制载波信号输入端，所述低通滤波模块的第二端连接所述前级电压放大模块的第二端；

所述功率放大模块的第一端输入所述电源电压，所述功率放大模块的第二端连接所述前级电压放大模块的第三端，所述功率放大模块的第三端连接所述信号耦合模块的第一端；

所述信号耦合模块的第二端连接电力线的火线，所述信号耦合模块的第三端连接电力线的零线；

所述带通滤波模块连接在所述功率放大模块和所述信号耦合模块之间，所述带通滤波模块的第一端连接所述功率放大模块的第三端，所述带通滤波模块的第二端连接所述信号耦合模块的第一端；

所述前级电压放大模块包括电阻R4、电阻R6、电阻R8、电阻R9、电容C8、NPN型的三极管Q3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、二极管D2、二极管D3、二极管D4、PNP型的三极管Q4、NPN型的三极管Q6和电容C2；

所述三极管Q3的基极接所述低通滤波模块的第二端，所述三极管Q3的发射极通过所述电阻R9和所述电容C8接地，所述三极管Q3的集电极通过所述电阻R6和所述电阻R4接所述低通滤波模块的第二端，所述电阻R8的一端接所述低通滤波模块的第二端，所述电阻R8的另一端接地；

所述三极管Q4的基极接所述三极管Q3的集电极，所述三极管Q4的发射极通过所述电阻R4接所述低通滤波模块的第二端，所述三极管Q4的集电极通过所述二极管D2接所述三极管Q6的集电极，电容C3连接在所述三极管Q4的基极和集电极之间；

所述三极管Q6的基极通过所述电阻R10和所述电阻R4接所述低通滤波模块的第二端，所述三极管Q6的发射极通过所述电阻R12接地；

所述二极管D3的阳极接所述三极管Q6的基极，所述二极管D3的阴极接所述二极管D4的阳极，二极管D4的阴极接地；所述电阻R11的一端接所述三极管Q3的发射极，所述电阻R11的另一端接所述功率放大模块的第二端；

所述电容C2的一端连接所述电阻R4，另一端接地。

2.根据权利要求1所述的电力线载波功率放大电路，其特征在于，所述使能开关包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R5、NPN型的三极管Q1、PNP型的三极管Q2和二极管D1；

所述电阻R1的一端连接使能控制信号输入端，所述电阻R1的另一端接地；

所述三极管Q1的基极通过所述电阻R2接入所述使能控制信号输入端，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极连接所述二极管D1的阳极；所述二极管D1的阴极通过所述电阻R3、电阻R5连接所述电源电压；

所述三极管Q2的基极连接所述电阻R3的一端，所述三极管Q2的发射极连接所述电源电压，所述三极管Q2的集电极连接所述前级电压放大模块的第一端。

3.根据权利要求1所述的电力线载波功率放大电路，其特征在于，所述低通滤波模块包括电容C1、电容C6、电容C7和电感L1；

所述电容C6的一端接所述调制载波信号输入端，所述电容C6的另一端接地；

所述电感L1的一端接所述调制载波信号输入端，所述电感L1的另一端接所述电容C1的一端；所述电容C1的另一端接所述前级电压放大模块的第二端；

所述电容C7的一端接所述电感L1的另一端，所述电容C7的另一端接地。

4.根据权利要求1所述的电力线载波功率放大电路，其特征在于，功率放大模块包括NPN型的三极管Q5、电容C9和PNP型的三极管Q7；

所述三极管Q5的基极接所述前级电压放大模块，所述三极管Q5的发射极接所述三极管Q7的发射极，所述三极管Q5的集电极接所述电源电压；

所述三极管Q7的基极接所述前级电压放大模块的第二端，所述三极管Q7的发射极接所述电容C9的一端，所述三极管Q7的集电极接地，所述电容C9的另一端接所述带通滤波模块的第一端。

5.根据权利要求1所述的电力线载波功率放大电路，其特征在于，所述信号耦合模块包括电容C12、电感L4、耦合线圈BT1和TVS管；

所述TVS管的一端接所述耦合线圈BT1中第一线圈N1的一端，所述TVS管的另一端接所述耦合线圈BT1中第一线圈N1的另一端，所述TVS管的另一端同时接地；

所述耦合线圈BT1中第二线圈N2的一端通过所述电容C12和所述电感L4接所述电力线的火线，所述耦合线圈BT1中第二线圈N2的另一端接所述电力线的零线。

6.根据权利要求1所述的电力线载波功率放大电路，其特征在于，所述带通滤波模块包括电感L2、电容C10、电容C11和电感L3；

所述电感L2的一端接所述功率放大模块的第三端，所述电感L2的另一端接所述电容C10的一端，所述电容C10的另一端接所述电感L3的一端；

所述电容C11的一端接所述电容C10的另一端，所述电容C11的另一端接所述电感L3的另一端。