CN202931255U

CN202931255U - 一种应用于电力载波通信的功率放大驱动电路

Info

Publication number: CN202931255U
Application number: CN 201220621550
Authority: CN
Inventors: 黄文标
Original assignee: Hangzhou Huaguang Photoeletric Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Light Technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2022-11-20

Abstract

本实用新型公开了一种应用于电力载波通信的功率放大驱动电路，包括：输入单元、功率放大单元和输出单元；输入单元与功率放大单元相连，功率放大单元与输出单元相连，输出单元与电网相连接。本实用新型采用单电源供电，所需的元件少，元件成本低，结构非常简单；且采用两个MOS管交替饱和导通对相应输出电容进行充放电来实现载波信号功率的放大，MOS管的饱和压降非常低，使得功率放大电路的效率极高，驱动能力极强，静态功耗极低。

Description

一种应用于电力载波通信的功率放大驱动电路

技术领域

本实用新型属于电力载波通信技术领域，具体涉及一种应用于电力载波通信的功率放大驱动电路。

背景技术

随着电子技术和嵌入式系统平台的长足发展，一个应用系统中由多个协处理器同一个总处理器协同工作的情况越来越普遍，而在大量的应用中，协处理器和总处理器的距离较远，其间的通信成为系统设计时需要重点考虑的问题。采用电缆、光纤作为通信载体固然能够得到较高的稳定性，然而会增加系统成本和硬件连线的复杂程度。在某些特殊的情况下，比如总处理器核协处理器之间的连线数量有限制，建立一条专用的有线通信载体是不可实施的，这种情况下不得不采用无线通信；但是，无线通信的可靠性和抗干扰性远远低于有线通信，而且成本也大大高于有线通信，在同时处理多个从设备时要引入复杂的地址编码算法，使得系统的可靠性和可实施性大大下降。

为此，出现了基于供电线路为通信载体的电力载波通信技术，电力载波通信技术是利用电力线作为传输介质进行通信的一种通信方式。电力线上阻抗变化大、噪声干扰强、电力线网线路拓扑复杂等特点使得载波信号在电力线上传输时衰减大、噪声强。在信号接收电路不变的情况下，载波信号发送功率对于线路中信号传输效果的影响比较大，增加信号发送功率可以改善信噪比，减少误码率，这对于在噪声干扰非常大的电力线传输情况下效果非常明显，因此如何有效地扩大载波信号的线缆驱动功率成为载波信号发送装置的主要技术难题。

目前常用的应用于电力载波通讯的功率放大线缆驱动技术主要有以下几类：

(1)双电源供电的无输出电容器的甲乙类互补功率放大电路(OCL电路)；该电路采用正负双电源供电，电源要求比较高也较复杂；交流信号时存在交越失真现象，为了消除失真而增加二极管偏置或三极管恒压偏置后电路较复杂；功率驱动对管的饱和压降较大常为2～3V，使得功率放大电路的效率(负载得到的交流信号功率与直流电源供出功率的比值)较低，对管功耗大、驱动能力较弱。

(2)单电源供电的中心点输出大电容的互补功率放大电路(OTL电路)；该电路交流信号时存在交越失真现象，为了消除部分失真而增加二极管偏置或三极管恒压偏置后电路较复杂；功率驱动对管的饱和压降较大常为2～3V，使得功率放大电路的效率(负载得到的交流信号功率与直流电源供出功率的比值)较低，驱动能力较弱；静态工作时2个驱动对管基本上是对称导通状态的使得输出中点电压为VCC/2，静态功耗偏大；为了提供交流驱动电压应在脉冲耦合变压器初级一端与输出端之间串连一个电容C，变压器初级另一端接电源地，这个输出电容C起到负电源的作用，受电容C容量的限制很难获得较好的交流信号驱动波形。

(3)单电源供电的开关三极管选通驱动电源控制的互补功率放大电路(OTL改型电路)；该电路交流信号时存在交越失真现象，为了消除部分失真而增加二极管偏置或三极管恒压偏置后电路较复杂；功率驱动对管的饱和压降较大常为2～3V，使得功率放大电路的效率(负载得到的交流信号功率与直流电源供出功率的比值)较低，驱动能力较弱；静态工作时开关三极管选通驱动电源控制为OFF状态，2个驱动对管由于没有工作电源使得输出中点电压为0V，虽然静态功耗较小，但电路较复杂；为了提供交流驱动电压应在脉冲耦合变压器初级一端与输出端之间串连一个电容C，变压器初级另一端接电源地，这个输出电容C起到负电源的作用，受电容C容量的限制很难获得较好的交流信号驱动波形。

(4)单电源供电的桥式推挽功率放大电路(BTL电路)；该电路要用到4个功率驱动对管，4个管子的特性匹配较难，事实上波形对称效果欠佳；4个功率驱动对管的饱和压降较大常为2～3V，使得功率放大电路的效率(负载得到的交流信号功率与直流电源供出功率的比值)较低，驱动能力较弱。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本实用新型提供了一种应用于电力载波通信的功率放大驱动电路，驱动能力强、静态功耗低。

一种应用于电力载波通信的功率放大驱动电路，包括：输入单元、功率放大单元和输出单元；输入单元与功率放大单元相连，功率放大单元与输出单元相连，输出单元与电网相连接。

所述的输入单元用于接收输入的方波信号，隔除该信号的直流电平分量，耦合其交流电平分量至功率放大单元；

所述的功率放大单元用于放大方波信号的功率，增加带负载能力，根据输入信号的高低电平来切换2个场效应对管的开关状态，从而实现2个功率输出电容的充放电操作过程；

所述的输出单元用于将功率放大后的方波信号隔离耦合输出至电网。

所述的输入单元由两个电容C1～C2和两个电阻R1～R2组成；其中，电容C1的一端与电容C2的一端相连且为输入单元的输入端，电容C1的另一端与电阻R1的一端相连且为输入单元的第一输出端，电阻R1的另一端接电源电压，电容C2的另一端与电阻R2的一端相连且为输入单元的第二输出端，电阻R2的另一端接地。

所述的功率放大单元由两个MOS管Q1～Q2和两个电容C3～C4组成；其中，MOS管Q1的源极与电容C3的一端相连并接电源电压，栅极与输入单元的第一输出端相连，漏极与MOS管Q2的漏极相连且为功率放大单元的第一输出端；MOS管Q2的源极与电容C4的一端相连并接地，栅极与输入单元的第二输出端相连；电容C3的另一端与电容C4的另一端相连且为功率放大单元的第二输出端。

所述的MOS管Q1为PMOS管，MOS管Q2为NMOS管。

所述的输出单元由变压器T、电感L、电容C5和电阻RV组成；其中，变压器T原边绕组的两端分别与功率放大单元的两个输出端相连；副边绕组的一端与电感L一端相连，另一端与电阻RV的一端相连并接电网的零线；电感L另一端与电容C5的一端相连，电容C5的另一端与电阻RV的另一端相连并接电网的火线。

所述的电容C1～C2均采用CBB电容；所述的电阻RV采用压敏电阻；所述的变压器T采用脉冲变压器；所述的电容C5采用安规电容。

所述的脉冲变压器包括绝缘套管，套管内有高磁导率的磁环磁芯，磁芯上绕有两对线圈，线圈相间缠绕，两对线圈的引脚即为变压器的初次级的引脚；且脉冲变压器的初级在电路连线上未与地直接相连。

本实用新型的工作原理为：TTL方波信号从信号输入端口输入经过两个CBB电容C1、C2耦合隔除直流电平分量后分别输入到两个MOS管Q1、Q2的栅极，由两个MOS管Q1、Q2交替导通来实现信号功率的放大。静态工作状态即没有输入交流信号电平时，两个MOS管Q1、Q2均处于截止状态，脉冲变压器T初级没有交流信号电流输入。当有交流信号电平输入为高电平时，N沟道MOS管Q2饱和导通，P沟道MOS管Q1截止，电源VCC通过功率输出电容C3连接至脉冲变压器T的2脚、再由脉冲变压器T的1脚通过Q2开关导通连接至电源地形成对电容C3的充电回路，使脉冲变压器T初级形成较强正半周工作电流，在此期间功率输出电容C4通过脉冲变压器T的初级线圈、N沟道MOS管Q2对电源地进行放电，为负半周充电做准备；当有交流信号电平输入为低电平时，P沟道MOS管Q1饱和导通，N沟道MOS管Q2截止，电源VCC通过Q1开关导通连接至脉冲变压器T的1脚、再由脉冲变压器T的2脚连接至电容C4的正极、电容C4的负极连接至电源地形成对电容C4的充电回路，使脉冲变压器T初级形成较强负半周工作电流，在此期间功率输出电容C3通过脉冲变压器T的初级线圈、P沟道MOS管Q1对电源进行放电，为正半周充电做准备；脉冲变压器T初级线圈在载波信号传输时正负半周载波信号的电流方向相反、大小一致均为电源VCC，形成一个占空比1∶1的标准方波交流信号驱动波形，脉冲变压器T次级线圈输出标准方波交流信号通过输出单元的电感L与安规电容C5的谐振处理变成正弦波交流信号，最终传输到电网上。压敏电阻RV的作用为避免电路由于电网的浪涌过电压而损坏电路。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型采用单电源供电，所需的元件少，元件成本低，结构非常简单。

(2)本实用新型采用单端输入双端输出方式，脉冲变压器T初级未与地直接相连，可获得极佳的交流信号驱动波形。

(3)本实用新型采用两个MOS管交替饱和导通对相应输出电容进行充放电来实现载波信号功率的放大，MOS管的饱和压降非常低，使得功率放大电路的效率(负载得到的交流信号功率与直流电源供出功率的比值)极高，驱动能力极强。

(4)本实用新型采用MOS管属电压驱动型器件，静态功耗极低。

(5)本实用新型中脉冲变压器T初级驱动电流的大小与供电电压VCC、输出电容容抗以及载波频率相关，供电电压VCC越大或输出电容越大或载波频率越高则驱动电流越大。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本实用新型，下面结合附图及具体实施方式对本实用新型的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图1所示，一种应用于电力载波通信的功率放大驱动电路，包括：输入单元、功率放大单元和输出单元；其中：

输入单元与功率放大单元相连，其用于接收输入的方波信号，隔除该信号的直流电平分量，耦合其交流电平分量至功率放大单元；本实施方式中，输入单元由两个CBB电容C1～C2和两个电阻R1～R2组成；其中，电容C1的一端与电容C2的一端相连且为输入单元的输入端，电容C1的另一端与电阻R1的一端相连且为输入单元的第一输出端，电阻R1的另一端接电源电压，电容C2的另一端与电阻R2的一端相连且为输入单元的第二输出端，电阻R2的另一端接地。

功率放大单元用于放大方波信号的功率，增加带负载能力，根据输入信号的高低电平来切换2个场效应对管的开关状态，从而实现2个功率输出电容的充放电操作过程；本实施方式中，功率放大单元由两个MOS管Q1～Q2和两个电容C3～C4组成；其中，MOS管Q1的源极与电容C3的一端相连并接电源电压，栅极与输入单元的第一输出端相连，漏极与MOS管Q2的漏极相连且为功率放大单元的第一输出端；MOS管Q2的源极与电容C4的一端相连并接地，栅极与输入单元的第二输出端相连；电容C3的另一端与电容C4的另一端相连且为功率放大单元的第二输出端；MOS管Q1为PMOS管，MOS管Q2为NMOS管。

输出单元与功率放大单元和电网相连接；其用于将功率放大后的方波信号隔离耦合输出至电网；本实施方式中，输出单元由脉冲变压器T、电感L、安规电容C5和压敏电阻RV组成；其中，脉冲变压器T原边绕组的两端分别与功率放大单元的两个输出端相连；副边绕组的一端与电感L一端相连，另一端与压敏电阻RV的一端相连并接电网的零线；电感L另一端与安规电容C5的一端相连，安规电容C5的另一端与压敏电阻RV的另一端相连并接电网的火线。

脉冲变压器包括绝缘套管，套管内有高磁导率的磁环磁芯，磁芯上绕有两对线圈，线圈相间缠绕，两对线圈的引脚即为变压器的初次级的引脚；且脉冲变压器的初级在电路连线上未与地直接相连。

本实施方式的工作原理为：TTL方波信号从信号输入端口输入经过两个CBB电容C1、C2耦合隔除直流电平分量后分别输入到两个MOS管Q1、Q2的栅极，由两个MOS管Q1、Q2交替导通来实现信号功率的放大。静态工作状态即没有输入交流信号电平时，两个MOS管Q1、Q2均处于截止状态，脉冲变压器T初级没有交流信号电流输入。当有交流信号电平输入为高电平时，N沟道MOS管Q2饱和导通，P沟道MOS管Q1截止，电源VCC通过功率输出电容C3连接至脉冲变压器T的2脚、再由脉冲变压器T的1脚通过Q2开关导通连接至电源地形成对电容C3的充电回路，使脉冲变压器T初级形成较强正半周工作电流，在此期间功率输出电容C4通过脉冲变压器T的初级线圈、N沟道MOS管Q2对电源地进行放电，为负半周充电做准备；当有交流信号电平输入为低电平时，P沟道MOS管Q1饱和导通，N沟道MOS管Q2截止，电源VCC通过Q1开关导通连接至脉冲变压器T的1脚、再由脉冲变压器T的2脚连接至电容C4的正极、电容C4的负极连接至电源地形成对电容C4的充电回路，使脉冲变压器T初级形成较强负半周工作电流，在此期间功率输出电容C3通过脉冲变压器T的初级线圈、P沟道MOS管Q1对电源进行放电，为正半周充电做准备；脉冲变压器T初级线圈在载波信号传输时正负半周载波信号的电流方向相反、大小一致均为电源VCC，形成一个占空比1∶1的标准方波交流信号驱动波形，脉冲变压器T次级线圈输出标准方波交流信号通过输出单元的电感L与安规电容C5的谐振处理变成正弦波交流信号，最终传输到电网上。压敏电阻RV的作用为避免电路由于电网的浪涌过电压而损坏电路。

当VCC为24V直流电源，载波通讯频率为125kHz，功率输出电容C3、C4均为0.22μF时，C3、C4相连点的电压为VCC/2即12V直流，C3、C4的容抗为

则流过脉冲变压器初级线圈的驱动电流大致计算为：

I = \frac{1}{2} Vcc / X_{C} = 12 \times 6.28 \times f \times C = 12 \times 6.28 \times 125 \times 10^{3} \times 0.22 \times 10^{- 6} = 2.0724 A;

即TTL方波信号的输入能使脉冲变压器T的初级产生2.0724A的脉冲驱动电流。

Claims

1.一种应用于电力载波通信的功率放大驱动电路，其特征在于，包括：输入单元、功率放大单元和输出单元；输入单元与功率放大单元相连，功率放大单元与输出单元相连，输出单元与电网相连接。

2.根据权利要求1所述的功率放大驱动电路，其特征在于：所述的输入单元由两个电容C1～C2和两个电阻R1～R2组成；其中，电容C1的一端与电容C2的一端相连且为输入单元的输入端，电容C1的另一端与电阻R1的一端相连且为输入单元的第一输出端，电阻R1的另一端接电源电压，电容C2的另一端与电阻R2的一端相连且为输入单元的第二输出端，电阻R2的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的功率放大驱动电路，其特征在于：所述的电容C1～C2均采用CBB电容。

4.根据权利要求1所述的功率放大驱动电路，其特征在于：所述的功率放大单元由两个MOS管Q1～Q2和两个电容C3～C4组成；其中，MOS管Q1的源极与电容C3的一端相连并接电源电压，栅极与输入单元的第一输出端相连，漏极与MOS管Q2的漏极相连且为功率放大单元的第一输出端；MOS管Q2的源极与电容C4的一端相连并接地，栅极与输入单元的第二输出端相连；电容C3的另一端与电容C4的另一端相连且为功率放大单元的第二输出端。

5.根据权利要求4所述的功率放大驱动电路，其特征在于：所述的MOS管Q1为PMOS管，MOS管Q2为NMOS管。

6.根据权利要求1所述的功率放大驱动电路，其特征在于：所述的输出单元由变压器T、电感L、电容C5和电阻RV组成；其中，变压器T原边绕组的两端分别与功率放大单元的两个输出端相连；副边绕组的一端与电感L一端相连，另一端与电阻RV的一端相连并接电网的零线；电感L另一端与电容C5的一端相连，电容C5的另一端与电阻RV的另一端相连并接电网的火线。

7.根据权利要求6所述的功率放大驱动电路，其特征在于：所述的电阻RV采用压敏电阻。

8.根据权利要求6所述的功率放大驱动电路，其特征在于：所述的变压器T采用脉冲变压器。

9.根据权利要求6所述的功率放大驱动电路，其特征在于：所述的电容C5采用安规电容。