CN115051731B - 一种直流电力线载波通信模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流电力线载波通信模块，利用声表面波耦合器将高频载波信号加载到电源母线上，通过电源母线同时进行信号和电力的传输。所述的声表面波载波通信模块内包括信号端口、电力端口、电力‑信号公用端口、信号耦合子电路、电力供给子电路。所述信号耦合子电路包括声表面波耦合器、电容和电阻。所述电力供给子电路包括EMI滤波电路和DC/DC变换器。本发明涉及一种新型直流电力线载波通信的耦合方式，采用电信号转换成声表面波信号再转换为电信号的方式，能够有效隔绝电源线上的干扰，本发明的直流电力线载波通信模块体积小、通信速率高和低功耗。
Description
技术领域
本发明涉及直流电力线载波通信领域，特别涉及一种高速率、低功耗直流电力线载波通信模块。
背景技术
电力线载波通信模块是电力线通信系统的关键组件之一，它使得载波信号能够高效地耦合进入电源母线。一直以来，电力线载波通信模块的耦合方式主要包括两种：变压器耦合和电感耦合。其中，变压器耦合电路主要由耦合变压器和耦合电容组成，耦合电容只允许交流载波分量通过而阻止电源母线的直流分量，耦合变压器的原边和耦合电容组成高通滤波器滤掉低频杂波。另一方面，电感耦合是通过电源母线穿过螺旋环式线圈而实现信号在电源母线和通信电路之间的耦合。需要指出的是，无论是变压器耦合还是电感耦合，都需要使用一定匝数的线圈，因此基于它们的电力线载波通信模块往往具有较大尺寸，在厘米级以上。此外，变压器和电感的工作频率往往难以设计成10MHz量级以上，这导致基于它们的电力线载波通信模块的通信速率极为受限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：电力线载波通信模块中，耦合电路采用变压器耦合或电感耦合方式，导致电力线载波通信模块整体体积和重量大。
本发明进一步需要解决的技术问题是：电力线载波通信模块中，耦合电路采用变压器耦合或电感耦合方式，变压器和电感的工作频率难以设计成10MHz量级以上，使电力线载波通信模块的通信速率受限。
为解决上述技术问题，本发明提出一种直流电力线载波通信模块，包括：
由信号端口、电力端口、电力-信号共用端口、信号耦合子电路和电力供给子电路；
所述信号耦合子电路通过电力-信号共用端口与直流电源母线进行信号上行及下行交换；所述信号耦合子电路通过信号端口与信源/信宿进行信号上行及下行交换；所述电力供给子电路通过电力-信号共用端口从电源母线获取电能，所述电力供给子电路通过电力端口向用电设备供电；
所述信号耦合子电路包括声表面波耦合器，声表面波耦合器的引脚1通过电容连接至电力-信号共用端口，声表面波耦合器的引脚2直接连接至电力-信号共用端口，在电容与电力-号共用端口的连接端、声表面波耦合器的引脚2与电力-信号共用端口的连接端之间连接一电阻；所述电容用于隔断来自电源母线的直流分量并同时通过高频信号，所述声表面波耦合器用于是实现信源/信宿与电源母线之间进行高频信号交换，所述电阻的功能是当电力线载波通信模块断电时释放掉电容上的剩余电量。
进一步地，所述电力供给子电路包括：EMI滤波电路和DC/DC变换器，所述EMI滤波电路的输入端连接电源母线，输出端连接DC/DC变换器的输入端，所述DC/DC变换器的输出端连接着电力端口。
所述EMI滤波电路作用是抑制电源母线中因加载高频信号而引起电压的扰动，所述DC/DC变换器的作用是使电源母线所提供电力能满足用电设备的电压要求。
所述声表面波耦合器包括叉指电极组A、叉指电极组B和压电基片，所述压电基片材料通常选用铌酸锂或钽酸锂单晶，所述叉指电极组A和所述叉指电极组B附着在所述压电基片的表面，电级组A和电级组B附着在同一压电基底上，叉指电极组A和所述叉指电极组B的距离为为任意距离，当所述叉指电极组A接入高频信号而激励下方压电基片产生声表面波时，叉指电极组B下方压电基片接收所述声表面波，在叉指电极组B上输出高频信号；所述高频信号的频率f0与声表面波波速vs和叉指电极组叉指间距p之间满足以下关系：
进一步地，所述EMI滤波电路有五个端口：两个输入端、两个输出端和一个接地端，所述EMI滤波电路包括共模扼流圈L和四个滤波电容，分别为电容一C1、电容二C2、电容三C3、电容四C4，所述电容一C1连接在两输入端，电容二C2通过共模扼流圈L与电容一C1关联连接；电容三C3与电容四C4串联连接后与电容二C2并联，电容三C3与电容四C4之间引出接地端，电容二C2两端为两个输出端。所述共模扼流圈L的作用是抑制共模干扰，所述电容一C1和电容二C2的作用是消除串模干扰，所述电容三C3和电容四C4的作用是消除共模干扰。
本发明所达到的有益效果：本发明提供的一种基于声表面波耦合器的直流电力线载波通信模块，利用声表面波耦合器将高频载波信号加载到电源母线上，通过电源母线同时进行信号和电力的传输，与传统的电力线载波通信模块相比，声表面波耦合器是由压电材料制备，按现代工艺水平可以制备的很小，尺寸为毫米级，所以本发明的直流电力线载波通信模块整体体积小；声表面波信号的谐振频率和声波信号在固体压电基底上的传输速度Vs以及叉指电极组间的间距p有关，而叉指间距p可以设计到毫米级,谐振频率f＝Vs/2p，当外界激励信号和声表面波信号频率相等时，叉指换能器发射的声波最强，可选的范围可以达到10MHz到3GHz，提高了直流电力线载波通信模块的通信速率；同时，压电基片上的叉指电极组在外接不同阻抗负载时对声表面波会有不同的反射强度，当叉指两极都接地时，相当于外接负载阻抗为零，此时压电效应在叉指电极上不能产生感应电压，因而叉指电极对声表面波传播的影响最小，可以认为是无反射的通过，当叉指的一极断开时，相当于外接负载阻抗为无穷大，此时压电效应的感应电压就能存在于叉指的两极之间，会产生强烈的回波信号，利用此特性，通过改变连接到反射叉指上的外接阻抗的大小就能控制叉指对声表面波的反射强度，因而损耗可以设计的很低。
附图说明
图1为根据本发明实施例提供的一种高速率、低功耗传输的载波通信系统结构图；
图2为根据本发明实施例提供的声表面波载波通信模块结构图；
图3为根据本发明实施例提供的声表面波耦合器结构图；
图4为根据本发明实施例提供的EMI滤波器电路图；
图5为两级EMI滤波器电路图。
具体实施方式
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
图1为本发明实施例所提供的的一种低功耗高速传输的载波通信系统结构图，包括电源母线、声表面波载波通信模块、信源/信宿、用电设备。所述直流电力线载波通信模块和所述信源/信宿、所述用电设备组成节点而以一定数量规模地接入直流电源母线，所述各个信源/信宿基于所述直流电源母线进行相互间的信号传输，所述各个用电设备从直流电源母线获取电能；所述信源/信宿既可以与所述用电设备是相互独立的关系，也可以作为所述用电设备的一部分而位于所述用电设备的内部。
图2为本发明图1中实施例所提供的声表面波载波通信模块结构图。本发明提供的一种直流电力线载波通信模块，包括：
由信号端口、电力端口、电力-信号共用端口、信号耦合子电路和电力供给子电路；
所述信号耦合子电路通过电力-信号共用端口与直流电源母线进行信号上行及下行交换；所述信号耦合子电路通过信号端口与信源/信宿进行信号上行及下行交换；所述电力供给子电路通过电力-信号共用端口从电源母线获取电能，所述电力供给子电路通过电力端口向用电设备供电；
所述信号耦合子电路包括声表面波耦合器，声表面波耦合器的引脚1通过电容连接至电力-信号共用端口，声表面波耦合器的引脚2直接连接至电力-信号共用端口，在电容与电力-号共用端口的连接端、声表面波耦合器的引脚2与电力-信号共用端口的连接端之间连接一电阻；所述电容用于隔断来自电源母线的直流分量并同时通过高频信号，所述声表面波耦合器用于是实现信源/信宿与电源母线之间进行高频信号交换，所述电阻的功能是当电力线载波通信模块断电时释放掉电容上的剩余电量。
所述电力供给子电路包括：EMI滤波电路和DC/DC变换器，所述EMI滤波电路的输入端连接电源母线，输出端连接着DC/DC变换器的输入端，所述DC/DC变换器的输出端连接着电力端口。
所述EMI滤波电路作用是抑制电源母线中因加载高频信号而引起电压的扰动，所述DC/DC变换器的作用是使电源母线所提供电力能满足用电设备的电压要求。
图3为本发明图2中实施例所提供的声表面波的耦合器结构图。所述声表面波耦合器包括叉指电极组A、叉指电极组B和压电基片，所述压电基片材料通常选用铌酸锂或钽酸锂单晶，所述叉指电极组A和所述叉指电极组B附着在所述压电基片的表面，电级组A和电级组B附着在同一压电基底上，叉指电极组A和所述叉指电极组B的距离为为任意距离，当所述叉指电极组A接入高频信号而激励下方压电基片产生声表面波时，叉指电极组B下方压电基片接收所述声表面波，在叉指电极组B上输出高频信号；所述高频信号的频率f0与声表面波波速vs和叉指电极组叉指间距p之间满足以下关系：
图4为本发明图2中实施例所提供的EMI滤波器电路图，所述EMI滤波电路有五个端口：两个输入端、两个输出端和一个接地端，所述EMI滤波电路包括共模扼流圈L和四个滤波电容，分别为电容一C1、电容二C2、电容三C3、电容四C4，所述电容一C1连接在两输入端，电容二C2通过共模扼流圈L与电容一C1关联连接；电容三C3与电容四C4串联连接后与电容二C2并联，电容三C3与电容四C4之间引出接地端，电容二C2两端为两个输出端。所述共模扼流圈L的作用是抑制共模干扰，所述电容一C1和电容二C2的作用是消除串模干扰，所述电容三C3和电容四C4的作用是消除共模干扰。
实施例2
本发明提供的一种直流电力线载波通信模块，包括：
由信号端口、电力端口、电力-信号共用端口、信号耦合子电路和电力供给子电路；
所述信号耦合子电路通过电力-信号共用端口与直流电源母线进行信号上行及下行交换；所述信号耦合子电路通过信号端口与信源/信宿进行信号上行及下行交换；所述电力供给子电路通过电力-信号共用端口从电源母线获取电能，所述电力供给子电路通过电力端口向用电设备供电；
所述信号耦合子电路包括声表面波耦合器，声表面波耦合器的引脚1通过电容连接至电力-信号共用端口，声表面波耦合器的引脚2直接连接至电力-信号共用端口，在电容与电力-号共用端口的连接端、声表面波耦合器的引脚2与电力-信号共用端口的连接端之间连接一电阻；所述电容用于隔断来自电源母线的直流分量并同时通过高频信号，所述声表面波耦合器用于是实现信源/信宿与电源母线之间进行高频信号交换，所述电阻的功能是当电力线载波通信模块断电时释放掉电容上的剩余电量。
所述电力供给子电路包括：EMI滤波电路和DC/DC变换器，所述EMI滤波电路的输入端连接电源母线，输出端连接DC/DC变换器的输入端，所述DC/DC变换器的输出端连接电力端口。
如图5所示，所述EMI滤波电路为两级滤波电路，包括有五个端口：两个输入端、两个输出端和一个接地端；
所述EMI滤波电路包括两个共模扼流圈L和五个滤波电容，分别为电容一C1、电容二C2、电容三C3、电容四C4，电容五C5；
所述电容一C1连接在两输入端，电容二C2通过共模扼流圈一L1与电容一C1关联连接；电容三C3与电容四C4串联连接后与电容二C2并联，电容三C3与电容四C4之间引出接地端，电容五C5通过共模扼流圈二L2并联到由电容三C3与电容四C4组成的电容组,电容五C5两端为两个输出端。所述共模扼流圈L1和L2的作用是抑制共模干扰，所述电容一C1、电容二C2和电容五C5的作用是消除串模干扰，所述电容三C3和电容四C4的作用是消除共模干扰。在电磁干扰噪声较大时，所述EMI两级滤波电路具有更好的滤除效果。
以上仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来讲，再不脱离本发明的原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也可以被视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种直流电力线载波通信模块，其特征在于：包括：信号端口、电力端口、电力-信号共用端口、信号耦合子电路和电力供给子电路；
所述信号耦合子电路通过电力-信号共用端口与直流电源母线进行信号上行及下行交换；所述信号耦合子电路通过信号端口与信源/信宿进行信号上行及下行交换；所述电力供给子电路通过电力-信号共用端口从电源母线获取电能，所述电力供给子电路通过电力端口向用电设备供电；
所述信号耦合子电路包括声表面波耦合器，声表面波耦合器的引脚1通过电容连接至电力-信号共用端口，声表面波耦合器的引脚2直接连接至电力-信号共用端口，在电容与电力-号共用端口的连接端、声表面波耦合器的引脚2与电力-信号共用端口的连接端之间连接一电阻；
所述电力供给子电路包括：EMI滤波电路和DC/DC变换器，所述EMI滤波电路的输入端连接电源母线，输出端连接DC/DC变换器的输入端，所述DC/DC变换器的输出端连接电力端口。
2.根据权利要求1所述的直流电力线载波通信模块，其特征在于：所述声表面波耦合器包括叉指电极组A、叉指电极组B和压电基片，所述叉指电极组A和所述叉指电极组B附着在所述压电基片的表面，当所述叉指电极组A接入高频信号而激励下方压电基片产生声表面波时，叉指电极组B下方压电基片接收所述声表面波，在叉指电极组B上输出高频信号；所述高频信号的频率f0与声表面波波速vs和叉指电极组叉指间距p之间满足以下关系：
3.根据权利要求2所述的直流电力线载波通信模块，其特征在于：所述压电基片材料选用铌酸锂或钽酸锂单晶。
4.根据权利要求1所述的直流电力线载波通信模块，其特征在于：所述EMI滤波电路有五个端口：两个输入端、两个输出端和一个接地端，所述EMI滤波电路包括共模扼流圈L和四个滤波电容，滤波电容分别为电容一C1、电容二C2、电容三C3、电容四C4；所述电容一C1连接在两输入端，电容二C2通过共模扼流圈L与电容一C1关联连接；电容三C3与电容四C4串联连接后与电容二C2并联，电容三C3与电容四C4之间引出接地端，电容二C2两端为两个输出端。
5.根据权利要求1所述的直流电力线载波通信模块，其特征在于：所述EMI滤波电路包括两个共模扼流圈和五个滤波电容，滤波电容分别为电容一C1、电容二C2、电容三C3、电容四C4，电容五C5；所述电容一C1连接在两输入端，电容二C2通过共模扼流圈一L1与电容一C1关联连接；电容三C3与电容四C4串联连接后与电容二C2并联，电容三C3与电容四C4之间引出接地端，电容五C5通过共模扼流圈二L2并联到由电容三C3与电容四C4组成的电容组,电容五C5两端为两个输出端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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