CN108880613A

CN108880613A - 利用一电力传输路径的信号传输方法及系统

Info

Publication number: CN108880613A
Application number: CN201710342624.5A
Authority: CN
Inventors: 洪于程
Original assignee: Amtb Tech
Current assignee: Amtb Tech
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2018-11-23

Abstract

一种信号传输系统包含彼此串接的一开关元件及一第一扼流元件分别电连接一电力线及一第一导电路径、一串接在该第一导电路径与一负载之间的第二扼流元件、彼此串接的一第三扼流元件及一谐振电路分别电连接另一电力线与一在该开关元件与该第一扼流元件之间的第一共同节点、及一电连接在该第三扼流元件与该谐振电路之间的一第二共同节点与该负载之间的第二导电路径。一控制区块在控制该开关元件不导通时提供一流经该负载的感应电流，所述扼流元件各自的磁芯在该开关元件不导通时未达磁饱和，而在开关元件导通时操作在磁饱和，可有效确保该控制信号能在好的传输品质下被传输。

Description

利用一电力传输路径的信号传输方法及系统

技术领域

本发明涉及一种信号传输方法，特别是涉及一种利用一电力传输路径的信号传输方法及系统。

背景技术

电力线通讯技术利用了广泛分布的电性线路来执行电子装置的控制。然而，传统的电力线通讯技术会遭遇如与电子装置的相容性差、易受到电子装置的杂讯干扰、高电力消耗、在长距离传输下所发生的杂讯及传输信号失真等问题。

因此，传统的电力线通讯技术仍有很大的改良空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用一电力传输路径的信号传输方法及系统，其能减缓现有技术的至少一个缺点。

本发明利用一电力传输路径的信号传输方法包含以下步骤：

(A)将彼此串接的一开关元件及一第一扼流元件以该开关元件的一连接端电连接共同传输电力的一第一电力线与一第二电力线其中一者，并在该第一扼流元件与一用于串接一负载的第二扼流元件之间建立一第一导电路径；

(B)将彼此串接的一第三扼流元件及一第一谐振电路分别电连接该第一电力线及该第二电力线其中另一者、及一在该开关元件与该第一扼流元件之间的第一共同节点，并在该第三扼流元件与该第一谐振电路之间的一第二共同节点与该负载之间建立一第二导电路径，其中该第一导电路径及该第二导电路径共同构成该电力传输路径；及

(C)控制该开关元件不导通，并在该开关元件不导通期间，提供一相关于一用于控制该负载操作的控制信号的感应电流，其中该感应电流至少流经该第一扼流元件、该第一导电路径、该第二扼流元件、该第二导电路径及该第一谐振电路。

其中，该第一扼流元件、第二扼流元件及第三扼流元件分别具有一第一磁芯、一第二磁芯及一第三磁芯，该第一磁芯、第二磁芯及第三磁芯均具有一对应于一特定磁滞曲线的磁滞特性，以致当该开关元件不导通时，该感应电流不使该第一磁芯、第二磁芯及第三磁芯达到磁饱和，而当该开关元件导通时，一由该电力所引起的电流流经该开关元件、该第一扼流元件、该第一导电路径、该第二扼流元件、该负载、该第二导电路径及该第三扼流元件并且使该第一磁芯、第二磁芯及第三磁芯操作在磁饱和。

本发明所述的利用一电力传输路径的信号传输方法，在步骤(C)中，该感应电流是一交流载波电流，并具有一相同于该第一谐振电路的一谐振频率的频率。

本发明所述的利用一电力传输路径的信号传输方法，在步骤(C)之前还包含一步骤：

(D)将一具有该谐振频率的第二谐振电路串接在该第二扼流元件与该第二导电路径之间；

其中，在步骤(C)中，该感应电流还流经该第二谐振电路。

本发明所述的利用一电力传输路径的信号传输方法，在步骤(B)之后还包含一步骤：

(E)控制该开关元件导通，并在该开关元件的导通期间，停止提供该感应电流。

本发明利用一电力传输路径的信号传输系统包含彼此串接的一开关元件及一第一扼流元件、一第二扼流元件、一第一导电路径、彼此串接的一第三扼流元件及一第一谐振电路、一第二导电路径、及一第一控制区块。该开关元件具有一用来电连接共同传输电力的一第一电力线与一第二电力线其中一者的连接端、及一用于接收一开关控制信号的开关控制端，以致该开关元件回应于该开关控制信号而导通或不导通，该第一扼流元件具有一第一磁芯。该第二扼流元件系用来与一负载串接，并具有一第二磁芯。该第一导电路径电连接在该第一扼流元件及第二扼流元件之间，以使该第一扼流元件及第二扼流元件经由该第一导电路径将彼此串接。该第三扼流元件及该第一谐振电路分别电连接该第一电力线及该第二电力线其中另一者、及一在该开关元件与该第一扼流元件之间的第一共同节点，该第三扼流元件具有一第三磁芯。该第二导电路径电连接在该第三扼流元件与该第一谐振电路之间的一第二共同节点及该负载之间，并与该第一导电路径共同构成该电力传输路径。该第一控制区块电连接该第一电力线及第二电力线以及该开关元件的该开关控制端，且产生并输出该开关控制信号至该开关元件的该开关控制端，以使得当该开关元件回应于该开关控制信号而不导通时，该第一控制区块以感应的方式提供一相关于一用于控制该负载操作的控制信号且至少流经该第一扼流元件、该第一导电路径、该第二扼流元件、该第二导电路径及该第一谐振电路的感应电流。

其中，该第一、第二及第三磁芯均具有一对应于一特定磁滞曲线的磁滞特性，以致当该开关元件不导通时，该感应电流不使该第一、第二及第三磁芯达到磁饱和，而当该开关元件回应于该开关控制信号而导通时，一由该电力所引起的电流流经该开关元件、该第一扼流元件、该第一导电路径、该第二扼流元件、该负载、该第二导电路径及该第三扼流元件并使该第一、第二及第三磁芯操作在磁饱和。

本发明所述的利用一电力传输路径的信号传输系统，还包含一第二控制区块，具有一用来电连接该负载的控制端，当该感应电流流经该第二扼流元件时，该第二控制区块以感应的方式产生该控制信号，并经由该控制端输出该控制信号，以致该负载根据该控制信号执行该操作。

本发明所述的利用一电力传输路径的信号传输系统，该感应电流是一交流载波电流，并具有一相同于该第一谐振电路的一谐振频率的频率。

本发明所述的利用一电力传输路径的信号传输系统，该负载包含一串接在该第二扼流元件与该第二导电路径之间的电磁干扰(EMI)滤波器，其中，该感应电流还流经该EMI滤波器所包含的一第一级滤波电容器。

本发明所述的利用一电力传输路径的信号传输系统，还包含一第二谐振电路，串接在该第二扼流元件与该第二导电路径之间，并具有该谐振频率，以致当该开关元件不导通时，该感应电流还流经该第二谐振电路。

本发明所述的利用一电力传输路径的信号传输系统，该第一及第二谐振电路各自包含彼此串接的一电容器及一电感器。

本发明所述的利用一电力传输路径的信号传输系统，该第一控制区块包含一与该第一扼流元件耦合的第一电感器，及一电连接该开关元件的该开关控制端及该第一电感器的第一控制单元，该第一控制单元系操作来产生输出至该开关元件的该开关控制端的该开关控制信号，并在该开关元件回应于该开关控制信号不导通期间，根据该负载操作的控制提供一流经该第一电感器的电流，以致该第一扼流元件感应该电流而产生流经其本身的该感应电流；该第二控制区块包含一与该第二扼流元件耦合的第二电感器，及一电连接该第二电感器且具有该控制端的第二控制单元，该第二控制单元在该开关元件不导通期间，根据自流经该第二扼流元件的该感应电流感应产生一流经该第二电感器的电流，产生该控制信号，并经由该控制端输出该控制信号。

本发明所述的利用一电力传输路径的信号传输系统，在该开关元件导通期间，该第一控制区块停止提供该感应电流。

本发明的有益效果在于：在该开关元件的不导通期间，借由以一电流模式提供相关于该控制信号且流经该第一扼流元件、该第一导电路径、该第二扼流元件、该第二导电路径及该第一谐振电路的该感应电流，可有效确保该控制信号能在好的传输品质下被传输。

附图说明

图1是一电路方块图，说明本发明信号传输系统的一第一实施例；

图2绘示出一代表该第一实施例中的第一、第二及第三磁芯的一磁滞曲线图；

图3绘示出该第一实施例中所输入电压以及流经一第一导电路径的电流的波形图；及

图4是一电路方块图，说明本发明信号传输系统的一第二实施例。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

参阅图1至图3，本发明信号传输系统100的一第一实施例系利用了一电力传输路径。在该第一实施例中，该电力传输路径例如系由一第一导电路径P1及一第二导电路径P2所构成，该信号传输系统100适于与一例如为一电子装置的负载200结合使用，并且不仅可将例如一交流电源所供应的交流电力，如市电V_in(图3)，传输至该负载200，而且可将例如一用于控制该负载200操作的控制信号传送至该负载200，但不在此限。在其他实施例中，该信号传输系统100亦可将一直流电源(图未示)所供应的直流电力传输至该负载200。此外，依照现有产业规范，作为该负载200的电子装置通常需配置有一用于滤除电磁干扰(EMI)的EMI滤波器201(见图1)。

该信号传输系统100包含一开关元件1、一第一扼流元件2、该第一导电路径P1、一第二扼流元件3、一第三扼流元件4、一第一谐振电路5、该第二导电路径P2、一第一控制区块6、及一第二控制区块7。

该开关元件1与该第一扼流元件2彼此串接，该开关元件1具有一用来电连接一第一电力线W1的连接端12、及一用于接收一开关控制信号的开关控制端11，以致该开关元件1回应于该开关控制信号而导通或不导通。在该第一实施例中，例如为一火线的该第一电力线W1与一例如为一中性线的一第二电力线W2电连接该交流电源并共同地传输来自该交流电源的该交流电力V_in(图3)。此外，该开关元件1例如可为一具有约20A的额定电流的固态继电器。

在该第一实施例中，该第一扼流元件2例如包含一第一磁芯(图未示)、及一缠绕在该第一磁芯的扼流圈21，但不在此限。值得注意的是，该第一磁芯具有一对应于一特定磁滞曲线(即，B-H曲线)的磁滞特性。图2仅示例出该特定磁滞曲线的一部分，此部分具有被一虚线隔开的一非饱和区I及一饱和区II。于是，该第一扼流元件1可为一带有具高导磁性(例如，r＝20000H/m)磁芯的饱和电抗器。

该第二扼流元件3被用来与例如该负载200的该EMI滤波器201串接。在该第一实施例中，该第二扼流元件3，相似于该第一扼流元件1，包含一在磁滞特性上相同于该第一磁芯的第二磁芯(图未示)、及一缠绕在该第二磁芯的扼流圈31。

该第一导电路径P1电连接在该第一及第二扼流元件1，3之间，以使该第一及第二扼流元件1，3经由该第一导电路径P1将彼此串接。在该第一实施例中，该第一导电路径P1例如为一第一电线。

该第三扼流元件4与该第一谐振电路5彼此串接，且分别电连接该第二电力线W2、及一在该开关元件1与该第一扼流元件2之间的一第一共同节点A。在该第一实施例中，该第三扼流元件4，相似于该第一扼流元件1，包含一在磁滞特性上相同于该第一磁芯的第三磁芯(图未示)、及一缠绕在该第三磁芯的扼流圈41。

在该第一实施例中，该第一谐振电路5例如包含彼此串接的一电容器51及一电感器52，例如，该电容器51电连接该第一共同节点A，且该电感器52电连接在该第一谐振电路5与该第三扼流元件4之间的一第二共同节点B，但不在此限。

该第二导电路径P2电连接在该第二共同节点B与例如该负载200的该EMI滤波器201之间，并与该第一导电路径P1共同构成该电力传输路径。在该第一实施例中，该第二导电路径P2例如为一第二电线。值得注意的是，该第一及第二导电路径P1，P2无须彼此平行，亦即彼此不需等长，如此可符合例如一般连接火线的导电路径通常长于连接中性线的导电路径的实际布线情况。

该第一控制区块6电连接该第一及第二电力线W1，W2(图1未示出)以便接收来自该交流电源的该交流电力，并电连接该开关控制端11，且产生并输出该开关控制信号至该开关元件1。在该第一实施例中，该第一控制区块6包含一与该第一扼流元件2的该扼流圈21耦合的第一电感器61、及一电连接该开关元件1的该开关控制端11及该第一电感器61的第一控制单元62。值得注意的是，该第一扼流元件2与该第一电感器61共同构成一第一电流控制电压器，且该扼流圈21被用来允许一相对大的电流流经其本身，因此可被视为一大电流绕组，而该第一电感器61被用来处理载波，因此可被视为一小电力绕组。该第一控制单元62系操作来产生输出至该开关元件该1的该开关控制端11的该开关控制信号，并且在该开关元件1回应于该开关控制信号的不导通期间(例如，图3中的一时间期间T1)，根据该负载200的控制提供一流经该第一电感器61的电流，以致该第一扼流元件2的该扼流圈21感应该电流而产生一流经其本身的感应电流i_induce(见图3)，借此，该第一控制区块6以感应的方式提供了相关于用于控制该负载200操作的该控制信号的该感应电流i_induce。值得注意的是，当该第一控制区块6提供了该感应电流i_induce时，由于该第一控制单元62控制该开关元件1不导通，所以提供自该电源且流到该负载200的电流则为零。另一方面，由于该感应电流i_induce例如为一相对非常小的高频交流载波电流并且具有一相同于该第一谐振电路5的一谐振频率(即，其中L代表该电感器52的电感值且C代表该电容器51的电容值)，该第一、第二及第三扼流元件2，3，4的该第一、第二及第三磁芯将操作在该磁滞曲线的原点附近且不会达到磁饱和。于是，非饱和的该第一、第二及第三磁芯使得该第一及第二扼流元件2，3操作在一正常变压器模式，且使得该第三扼流元件4具有高阻抗，并且该第一谐振电路5具有一近乎零的阻抗可视同一短路。因此，该感应电流i_induce自该第一扼流元件2的该扼流圈21流出，之后流经该第一导电路径P1、该第二扼流元件3的该扼流圈31、该负载200的该EMI滤波器201的一第一级滤波电容器，该第二导电路径P2及该第一谐振电路5，有效防止该感应电流i_induce流经该第三扼流元件4而泄漏至该第二电力线W2，因而达到该感应电流i_induce的良好传输品质。

参阅图1至图3，在该开关元件1回应于该开关控制信号的导通期间，该第一控制单元62停止提供该感应电流i_induce，并且一由该电力V_in所引起且相对大的电流i_conduct流经该开关元件1、该第一扼流元件2的该扼流圈21、该第一导电路径P1、该第二扼流元件3的该扼流圈31、该负载200、该第二导电路径P2及该第三扼流元件4的该扼流圈41。由于该电流i_conduct使得该第一、第二及第三扼流元件2，3，4的该第一、第二及第三磁芯产生大的磁场，导致该第一、第二及第三磁芯操作在磁饱和，因而允许该电力V_in通过。

在该第一实施例的一实验中，当该开关元件1导通时，该第一、第二及第三磁芯达到磁饱和的该第一、第二及第三扼流元件2，3，4的电感几近于零；而当该开关元件1不导通时，该第一及第二扼流元件2，3使得该第一电流控制电压器及一第二电流控制电压器近乎成为理想变压器，且第三扼流元件4的电感约为数毫亨利(mH)。

应注意的是，在传统的电力线通讯技术中，控制信号必须在该电力的零交越点附近被传输才能达到较佳的信号品质，但在本发明该第一实施例中，只要在该开关元件1不导通期间，不论该第一电力线W1的电压是否为零，都能确保该感应电流i_induce的传输品质。

该第二控制区块7具有一用来电连接该负载200的控制端70。当该感应电流i_induce流经该第二扼流元件3时，该第二控制区块7以感应的方式产生该控制信号，并经由该控制端70输出该控制信号，以致该负载200根据该控制信号执行该操作。在该第一实施例中，该第二控制区块7包含一与该第二扼流元件3的该扼流圈31耦合的第二电感器71、及一电连接该第二电感器71且具有该控制端70的第二控制单元72。值得注意的是，该第二控制单元72操作时所需电力例如可由该负载200来供应(图中省略了用于电力供应的电连接)，而且该第二扼流元件3与该第二电感器71共同构成该第二电流控制电压器，并且该扼流圈31，相似于该扼流圈21，被用来允许一相对大的电流流经其本身，因此可被视为一大电流绕组，而该第二电感器71，相似于该第一电感器61，被用来处理载波，因此可被视为一小电力绕组。该第二控制单元72在该开关元件1不导通期间，根据自流经该第二扼流元件3的该扼流圈31的该感应电流i_induce感应产生一流经该第二电感器71的电流，产生该控制信号，并经由该控制端70将控制信号输出至该负载200。由于该控制信号是根据该感应电流i_induce而产生，以良好传输品质传输该感应电流i_induce将被视为该控制信号具有良好的信号传输品质。

值得注意的是，在实际应用时，由于该第二扼流元件3与该第二控制区块7可被设计成具有较小的体积，该第二扼流元件3与该第二控制区块7例如可被配置于一供该负载200的一插头(图未示)插置的插座(图未示)中，但不在此限。

图4绘示出本发明信号传输系统100的一第二实施例，其为图1的该第一实施例的一变化实施态样。该第二实施例的该信号传输系统100不同于该第一实施例之处在于：若有一个或多个彼此并联的其他负载(图4未示出)同时电连接在该第一导电路径P1与该第二导电路径P2之间时，该信号传输系统100还包含一串接在该第二扼流元件3与该第二导电路径P2之间的第二谐振电路8。该第二谐振电路8，相似于该第一谐振电路5，例如包含彼此串接的一电容器81及一电感器82，例如，该电容器81电连接该第二扼流元件3的该扼流圈31，且该电感器82电连接该第二导电路径P2，但不在此限。应注意的是，该第二谐振电路8与该第一谐振电路5具有相同的谐振频率(也就是，该感应电流i_induce的频率)。于是，当该开关元件1不导通时，自该第二扼流元件3的该扼流圈31流出的该感应电流i_induce将不流经该负载200的该EMI滤波器201的该第一级滤波电容器及其他一个或多个负载(图4未示出)，而流经可视为一短路的该第二谐振电路8到该第二导电路径P2，借此将该感应电流i_induce的失真及泄漏减至最低。

综上所述，本发明信号传输系统100可具有以下优点：

1.利用电流模式(即该感应电流i_induce)来传输该控制信号，并结合相对简单的该开关元件1、该第一、第二及第三扼流元件2，3，4以及该第一谐振电路5，可以相对较低的成本达到良好传输品质。

2.由于利用了电流模式来传输该控制信号，该第一及第二导电路径P1，P2无须彼此平行或等长，如此能符合实际布线情况，更不需为了克服该第一及第二导电路径P1，P2不等长或太长等问题所必要的额外阻抗匹配电路。

3.由于该第二谐振电路8的配置，可将该感应电流i_induce(即该控制信号)的失真及泄漏减至最低。

惟以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明涵盖的范围内。

Claims

1.一种利用一电力传输路径的信号传输方法，其特征在于：包含以下步骤：

(C)控制该开关元件不导通，并在该开关元件不导通期间，提供一相关于一用于控制该负载操作的控制信号的感应电流，其中该感应电流至少流经该第一扼流元件、该第一导电路径、该第二扼流元件、该第二导电路径及该第一谐振电路；

2.如权利要求1所述的利用一电力传输路径的信号传输方法，其特征在于：在步骤(C)中，该感应电流是一交流载波电流，并具有一相同于该第一谐振电路的一谐振频率的频率。

3.如权利要求2所述的利用一电力传输路径的信号传输方法，其特征在于：在步骤(C)之前还包含一步骤：

其中，在步骤(C)中，该感应电流还流经该第二谐振电路。

4.如权利要求1或3所述的利用一电力传输路径的信号传输方法，其特征在于：在步骤(B)之后还包含一步骤：

5.一种利用一电力传输路径的信号传输系统，其特征在于：包含：

彼此串接的一开关元件及一第一扼流元件，该开关元件具有一用来电连接共同传输电力的一第一电力线与一第二电力线其中一者的连接端、及一用于接收一开关控制信号的开关控制端，以致该开关元件回应于该开关控制信号而导通或不导通，该第一扼流元件具有一第一磁芯；

一第二扼流元件，用来与一负载串接，并具有一第二磁芯；

一第一导电路径，电连接在该第一扼流元件及第二扼流元件之间，以使该第一扼流元件及第二扼流元件经由该第一导电路径将彼此串接；

彼此串接的一第三扼流元件及一第一谐振电路，分别电连接该第一电力线及该第二电力线其中另一者、及一在该开关元件与该第一扼流元件之间的第一共同节点，该第三扼流元件具有一第三磁芯；

一第二导电路径，电连接在该第三扼流元件与该第一谐振电路之间的一第二共同节点及该负载之间，并与该第一导电路径共同构成该电力传输路径；及

一第一控制区块，电连接该第一电力线、该第二电力线及该开关元件的该开关控制端，且产生并输出该开关控制信号至该开关元件的该开关控制端，以使得当该开关元件回应于该开关控制信号而不导通时，该第一控制区块以感应的方式提供一相关于一用于控制该负载操作的控制信号且至少流经该第一扼流元件、该第一导电路径、该第二扼流元件、该第二导电路径及该第一谐振电路的感应电流；

其中，该第一磁芯、第二磁芯及第三磁芯均具有一对应于一特定磁滞曲线的磁滞特性，以致当该开关元件不导通时，该感应电流不使该第一磁芯、第二磁芯及第三磁芯达到磁饱和，而当该开关元件回应于该开关控制信号而导通时，一由该电力所引起的电流流经该开关元件、该第一扼流元件、该第一导电路径、该第二扼流元件、该负载、该第二导电路径及该第三扼流元件并使该第一磁芯、第二磁芯及第三磁芯操作在磁饱和。

6.如权利要求5所述的利用一电力传输路径的信号传输系统，其特征在于：还包含：

一第二控制区块，具有一用来电连接该负载的控制端，当该感应电流流经该第二扼流元件时，该第二控制区块以感应的方式产生该控制信号，并经由该控制端输出该控制信号，以致该负载根据该控制信号执行该操作。

7.如权利要求6所述的利用一电力传输路径的信号传输系统，其特征在于：该感应电流是一交流载波电流，并具有一相同于该第一谐振电路的一谐振频率的频率。

8.如权利要求7所述的利用一电力传输路径的信号传输系统，其特征在于：该负载包含一串接在该第二扼流元件与该第二导电路径之间的电磁干扰滤波器，其中，该感应电流还流经该电磁干扰滤波器所包含的一第一级滤波电容器。

9.如权利要求7所述的利用一电力传输路径的信号传输系统，其特征在于：还包含：

一第二谐振电路，串接在该第二扼流元件与该第二导电路径之间，并具有该谐振频率，以致当该开关元件不导通时，该感应电流还流经该第二谐振电路。

10.如权利要求9所述的利用一电力传输路径的信号传输系统，其特征在于：该第一谐振电路及第二谐振电路各自包含彼此串接的一电容器及一电感器。

11.如权利要求6所述的利用一电力传输路径的信号传输系统，其特征在于：

该第一控制区块包含一与该第一扼流元件耦合的第一电感器，及一电连接该开关元件的该开关控制端及该第一电感器的第一控制单元，该第一控制单元系操作来产生输出至该开关元件的该开关控制端的该开关控制信号，并在该开关元件回应于该开关控制信号不导通期间，根据该负载操作的控制提供一流经该第一电感器的电流，以致该第一扼流元件感应该电流而产生流经其本身的该感应电流；及

该第二控制区块包含一与该第二扼流元件耦合的第二电感器，及一电连接该第二电感器且具有该控制端的第二控制单元，该第二控制单元在该开关元件不导通期间，根据自流经该第二扼流元件的该感应电流感应产生一流经该第二电感器的电流，产生该控制信号，并经由该控制端输出该控制信号。

12.如权利要求5所述的利用一电力传输路径的信号传输系统，其特征在于：在该开关元件导通期间，该第一控制区块停止提供该感应电流。