CN104991600A - 一种基于开关电源恒功率控制的电力载波通信线路驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于开关电源恒功率控制的电力载波通信线路驱动器，包括开关电源恒功率控制模块Block1，功率放大模块Block2，输出信号耦合模块Block3。本发明有效平衡了电力线不同负载阻抗下的有效功率输出和驱动效率，增强了通讯效果。另外，本发明可在电源功率一定的情况下，确保系统发送时的动态功率不超标，避免电源功率不足或者电源过热引起的系统保护，使系统在任何情况都能正常通信。

Description

一种基于开关电源恒功率控制的电力载波通信线路驱动器
技术领域
本发明涉及一种应用于电力线载波通信的线路驱动器，具体是一种基于开关电源恒功率控制的电力载波通信线路驱动器。
背景技术
    电力线载波通信是通过电力线来传输信息的一种通信技术，电力线载波通信系统需要通过线路驱动器(Line Driver)将载频信号转换为功率信号耦合到电力线上。为了规范电力线信道的使用，国内国际出台了一系列的标准，限制设备功率，以及发送信号的谐波和电平，避免设备间干扰。
    电力线的阻抗在不同地点，不同时间有很大变化，一般认为其范围在零点几欧姆到几百欧姆，因此线路驱动器面对的负载是一个不确定且不稳定的阻抗网络。典型的电力线驱动器是一个线性AB类放大电路或者开关驱动电路，这种电路在阻抗适中时，可以接近理论效率。而当负载阻抗加大时，受电源电压限制，其发送出去的功率减小；当负载阻抗减小时，其传输效率降低，受电源额定功率的限制，发送出去的功率也减小。所以传统的电力线载波通信驱动电路不能适应阻抗的变化，传输的有效功率低。
    以单相电力线载波电能表为例，其电源额定功率一般为1.5W12V。对于传统线路驱动器电路，忽略内阻：
    当负载阻抗为500欧姆，驱动器理论最大功率12V*12V/500=0.288W。
    当负载阻抗为100欧姆，驱动器理论最大功率12V*12V/100=1.44W。
    当负载阻抗为1欧姆，驱动器理论最大功率12V*12V/1=144W，电源会被拉垮。
    实际工作中由于电源额定功率限制，输出电流只有0.1A，输出功率0.01W，而总功耗达到12V*0.1A=1.2W，内阻消耗了1.19W，效率只有1/120。
    根据分析，传统电路的实际发送功率随线路阻抗变化剧烈，通讯效果差。
    如何向阻抗大范围变化的电力线发送保障通信效果的功率信号，并能适应设备电源功率限制，提高效率，降低系统发热，是电力线载波线路驱动器要解决的主要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于开关电源恒功率控制的电力载波通信线路驱动器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于开关电源恒功率控制的电力载波通信线路驱动器，包括开关电源恒功率控制模块Block1，功率放大模块Block2，输出信号耦合模块Block3，系统电源电压VDD为Block1供电，由Block1输出一个动态的电压VDD_PA，VDD_PA连接到Block2的供电端，发送信号VIN输入至Block2，经过Block2产生功率信号VOUT，VOUT输出到Block3，经由Block3耦合到电力线。
作为本发明的优选方案：所述功率放大模块Block2为AB类功率放大器或开关方式的功率放大器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中采用开关电源恒功率控制模块对输入功率进行控制，通过检测输入功率的变化，动态地改变功放的供电电压，提升驱动效率，加大有效发送功率，改善通讯效果。在负载阻抗小时，PA输出大电流，但PA供电电压降低，从而降低了PA自身功率消耗，提高了有效输出功率；在负载阻抗大时，PA输出小电流，恒功率模块提升PA的供电电压，从而增大发送功率，提升通讯效果。本发明不需要对线路驱动器进行输出电流限制保护，可以将驱动器内阻设计得很小，进一步提升驱动效率。
本发明有效平衡了电力线不同负载阻抗下的有效功率输出和驱动效率，增强了通讯效果。另外，本发明可在电源功率一定的情况下，确保系统发送时的动态功率不超标，避免电源功率不足或者电源过热引起的系统保护，使系统在任何情况都能正常通信。
附图说明
图1为基于开关电源恒功率控制的电力载波通信线路驱动器的结构框图；
图2为基于开关电源恒功率控制的电力载波通信线路驱动器的一种实施例的电路图；
图3为Block1的一种实施例电路图；
图4为模拟除法电路图；
图5为开关方式的功率放大器电路图；
图6为具有可变电压增益控制的AB类功率放大器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，一种基于开关电源恒功率控制的电力载波通信线路驱动器，包括开关电源恒功率控制模块Block1，功率放大模块Block2，输出信号耦合模块Block3，系统电源电压VDD为Block1供电，由Block1输出一个动态的电压VDD_PA，VDD_PA连接到Block2的供电端，Block1发送信号VIN输入至Block2，经过Block2产生功率信号VOUT，VOUT输出到Block3，经由Block3耦合到电力线。
所述功率放大模块Block2为AB类功率放大器或开关方式的功率放大器。
本发明的工作原理是：本发明是一种基于开关电源恒功率控制的电力线载波线路驱动器，通过对驱动电路的供电电压进行开关电源动态控制，来调节输出的功率，并提高效率，降低发热。具体的说，当电力线阻抗呈现轻载时，通过提升输出端的供电电压，确保轻载情况下的有效功率输出；当电力线阻抗为重载时，通过降低输出端的供电电压，在确保有效输出功率的情况下，降低系统功耗，提升发送效率，减少发热。
与一般的D类驱动器在输出端进行开关变换以提高效率的方法不同，本发明通过对功率放大电路的供电电压进行开关变换，达到提高效率的目的。与D类驱动器相比，本发明的优点是不需要输出滤波器，在使用AB类驱动时，可保证输出的线性和失真度。
本发明电路包含三个主要功能模块，即开关电源恒功率控制模块Block1，功率放大模块Block2，输出信号耦合模块Block3。
Block1开关电源恒功率控制模块：该模块通过检测输入功率，以开关电源的方式对输出电压进行调整，当输出电流上升时调降功率放大模块Block2的电压，当输出电流下降时调升功率放大模块Block2的电压，使输入功率维持在一个恒定值。
Block2功率放大器PA：将输入信号VIN功率放大为输出信号VOUT，PA可以为AB类功率放大器，也可以为开关方式的功率放大器。当PA为AB类放大器时，如PA具备增益调节功能，可在供电电压下降时，降低放大倍数，保证输出信号的线性，避免PA进入饱和状态。
Block3信号耦合模块：负责将VOUT上的功率信号耦合到电力线上，Block3可以是各种常规的电力线信号耦合电路。
如图2所示，为本发明的一个具体电路图，实现了一个升降压式拓扑的恒定功率的电力线载波通信的线路驱动器。
电路包含三个功能模块，Block1实现的是一个恒定输入功率的开关电源控制模块，Block2是一个由Block1输出电压VDD_PA进行供电的功率放大模块，Block3是面向电力线的信号耦合电路。
Block1包含一个功率MOS与电流探测单元U1、一个供电电压VDD探测单元U2、一个误差放大单元U3、一个锯齿波发生单元U4、一个PWM比较器模块U5、一个模式控制单元U6、一个功率值设定电阻R0、两个续流二极管D0和D1、一个电感L0，一个输出滤波电容C0。
Block1中，U1探测功率MOS管M1的电流，在其输出端输出一个与功率MOS电流I1成比例的电流，并将该电流加载到电阻R0，产生相应的反馈电压Vfb=K1*I1*R0，其中K1为电流反馈的比例系数。具体实施中可采用如图3所示电路。
U2是供电电压探测电路，探测供电电压VDD的大小，产生一个与VDD成反比的电压VB，具体的实施中，可采用模拟除法电路，如图4所示，产生VB=(K2*Vref)/VDD，其中K2为除法器增益系数，Vref是参考基准电压。
将两个探测结果通过误差放大器U3，其中VB作为误差放大器的参考电压，Vfb作为误差放大器的反馈电压；误差放大器的放大结果与锯齿波产生电路U4产生的锯齿波信号，送入PWM比较器U5产生出PWM控制信号，该PWM信号再由模式控制电路对功率MOS进行驱动。
模式控制单元U6的功能是判决电路该工作与降压模式或者升压模式。 当输出电压大于设定阈值，且Vfb<VB，则电路会切换至升压模式，否则工作于降压模式。
本实施例中，采用的是升降压式恒功率输入结构。功率PMOS管M1的漏端连接续流二极管D0阴极和电感L0，D0的阴极接地，功率NMOS管M0的漏断连接电感L0的另一端和续流二极管D1阳极，D1阴极再连接输出滤波电容C0，产生Block2的供电电压VDD_PA。这样形成一个输入功率反馈环路。当Vfb>VB时，PWM信号占空比会减小，随之会使Vfb下降；Vfb<VB时，PWM占空比会增加，随之又会是Vfb上升。在环路稳定的情况下，有VB=Vfb，即
(K2*Vref)/VDD=K1*I1*R0，
整理可得功率管输入功率
Pin=VDD*I1=(K2*Vref)/(K1*R0)
可见功率MOS的输入功率是一个恒定值。而输出功率Pout=VDD_PA*Iout=Pin-Ploss，其中Iout为输出电流，Ploss为恒功率电路的自身损耗。由于采用的是开关电源结构，恒功率控制电路可以获得较高的转换效率，Ploss相对较小。在这种情况下，Iout增大，则VDD_PA减小，Iout减小，则VDD_PA增大。
Block2是一个功率放大模块，将微功率的输入信号VIN，转换成大功率的输出信号VOUT。具体的一种实施中可以如图5所示的开关方式的功率放大器，开关方式的功率放大电路可以获得较高的驱动效率；
Block2也可以如图6所示的具有可变电压增益控制的AB类功率放大器，这种方式的放大器包含一个供电电压探测单元U1，增益控制单元U2，AB类放大单元U3，反馈电阻R1和R2。当供电电压升高，U1将电压探测信号传入U2单元，U2控制加大U3环路的增益；反之，当供电电压降低，电压增益减小。AB类功率放大器则可以获得较好的线性度，使发送信号满足谐波限制标准。
由于Block2的供电电压由Block1进行控制，当负载阻抗RL变小时，输出电流Iout会变大，而 Block1会调整Block2的供电电压VDD_PA，使VDD_PA下降，同时若功放为可变增益的AB类功放，电压增益也会下降，输出电流会得到限制，不会将系统电源拉跨，因此Block2的设计中无需对输出电流Iout进行限制，从而可以在负载阻抗RL较小的情况下获得较高的驱动效率。而当负载阻抗RL变大时，输出电流Iout会减小，Block1会调整Block2的供电电压VDD_PA,使VDD_PA上升，从而提升在负载阻抗RL较大情况下的发送功率。
Block3是信号耦合电路， 将功率信号耦合到电力线中，完成功率放大信号到通信信道之间的对接。

Claims (2)

1.一种基于开关电源恒功率控制的电力载波通信线路驱动器，其特征在于，包括开关电源恒功率控制模块Block1，功率放大模块Block2，输出信号耦合模块Block3，系统电源电压VDD为Block1供电，由Block1输出一个动态的电压VDD_PA，VDD_PA连接到Block2的供电端，发送信号VIN输入至Block2，经过Block2产生功率信号VOUT，VOUT输出到Block3，经由Block3耦合到电力线。
2.根据权利要求1所述的一种基于开关电源恒功率控制的电力载波通信线路驱动器，其特征在于，所述功率放大模块Block2为AB类功率放大器或开关方式的功率放大器。
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