高速电力线通信中电压瞬变的产生和抑制苏宏营，李琳，彭书涛，廖培金（西安交通大学电力系，西安710049）
关键词：浪涌；抑制器；电力线通信；调制解调器
1引言
　　电力线通信技术（PowerLineCommunicatio－n（PLC）），是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。该技术是把载有信息的高频加载于电流，然后用电线传输，接收信息的调制解调器（Modem）再把高频从电流中分离出来，并传送到计算机或电话接收机，以实现信息传递。近几年来，国内外许多公司和科研机构投入大量的人力和资金，已经成功开发适用于在电力线上实现高速数据传输的新型产品。目前高速PLC已可传输高达10Mbps以上的数据，而且能同时传输数据、语音、视频和电力，有可能成就“四网合一”新趋势。
　　低压电力线信道十分恶劣，噪声是低压电力线上最大的干扰源。主要是用电设备产生的噪声，其来源有设备开关切换、电器设备热插拔产生的脉冲干扰以及电力线耦合的外界电磁波等。其中对通信影响最大的是脉冲干扰，尤其是电压瞬变（通常称为浪涌），其频谱范围很宽且幅度较高。电压瞬变不仅影响电力线通信设备的正常工作，使数据瞬间乱态、丢失，严重制约了高速数据的传输，还会导致电子产品的损坏。其影响程度取决于冲击电流的大小和设备的抗干扰程度。为使设备能够正常工作，设计者应在调制解调器的电源线、信号线以及电路中采取相应的抑制技术。
2浪涌抑制器
　　为了保证调制解调器通信数据高速，稳定，可靠地传输，必须在调制解调器耦合部分对浪涌采取防护措施，最简单的方法是将其直接接地。第二种防护方法是在调制解调器芯片的关键部位采用瞬态浪涌抑制器，使瞬态浪涌通过抑制器旁路到子系统地和大地，从而使芯片中的浪涌幅度大大降低。第三种防护方法是采用多个抑制器组合形式，构成多级防护电路^［1］。
2．1　抑制器的类型
（1）气体放电管
　　气体放电管（GasTube）工作原理为：当线上感应瞬态高压时，促使放电管内的气体电离，使火线和零线短路，抑制差模电压；而火线和零线对地短路，使瞬态电流入地，抑制共模电压。其优点是既能抑制共模电压又能抑制差模电压。但气体放电管响应速度慢，漏电流、击穿电压变化不定及寿命短等缺点，使其很少用于电力线通信中的浪涌保护^［2］。
（2）压敏电阻
　　压敏电阻MOV（MetalOxideVaristor）^{［2］［3］}是由金属氧化物制成，其特点是通过该非线性电阻的电流随施加的电压的指数上升，即
　　I＝KV^a（1）
式中：k为常数；是施加电压；取决于材料的常数，通常大于25。当电压升高到一定值时，变阻器近于短路。因此，把变阻器加在电源线／信号线与地之间或电源线／信号线之间，可使浪通电流到地或通过变阻器旁路，达到保护电路元器件的目的，是一种很廉价的方法。压敏电阻具有响应速度快（10^－10秒）和大电流容量等特点，使其成为交流电力线浪涌保护的必备器件，但压敏电阻其分流电容通常大于500pF，漏电流约为10mA，击穿电压随电流上升。因此，压敏电阻一般和TVS共同组成多级浪涌保护电路。
（3）瞬变电压抑制二极管
　　瞬变电压抑制二极管（TransientVoltageSuppressionDiode，TVS）^{［1］［2］}是一种特殊的二极管雪崩器件。其工作原理和齐纳二极管类同，特性和符号和齐纳二极管相同，所不同的是TVS具有更大面积的PN结，另外它的反向特性为典型的雪崩型，在雪崩时具有低动态阻抗和低箝位电压，当TVS的两极收到反向瞬态浪涌电压冲击时，它能以1×10^－9毫秒量级的速度将其两极间的高阻抗变为低阻抗，迅速吸收高达数千瓦数量级的浪涌功率，使两级间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路元器件免受各种形式的浪涌脉冲的损害。
　　TVS有单向和双向之分，电力线Modem芯片上一般采用双向TVS。双向TVS的V－I特性如图1所示。　　从图1可知，在瞬态峰值浪涌电流作用下，流过TVS的电流急剧地由原来的反向漏电流_IR上升到V_BR，其反向电压I_R上升至击穿电压值V_BR，TVS被击穿，最小击穿电压_BR是TVS变成低阻抗的起始电压，也就是TVS进入雪崩的击穿电压。随着峰值脉冲电压的出现和增长，流过TVS的电流达到最大反向峰值脉冲电流I_P，其反向电压上升至箝位电压值V_C，并保持在这一稳定水平上。其后随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极的电压也不断下降，最后恢复到起始状态。这就是TVS抑制浪涌，保护设备的全过程。
　　TVS具有体积小，响应速度快（小于1ns），瞬态功率大，漏电流低，击穿电压小，每次经受瞬变电压和浪涌后其性能不会下降和可靠性高等特点。另外，TVS最大优点是箝位系数小，箝位系数越小，防护瞬变电压效果越好。TVS的缺点是耐电流量小，电容量大。
　　常用的瞬态浪涌抑制器还有控制维持电流型硅防护浪涌器件（SemiconductorSurgeProtectionDevice，SSPD），由PNPNP五层组成，它是在单芯片上逆向并联组成的复合器件。SSPD与气体放电管相比有残压低，抗浪涌能力强，稳定性好，响应速度快，短路失效等一系列的优点^［8］。SSPD使有害浪涌安全地分流入地，有效防止由于浪涌引起的集成电路变形，短路，数据传输错误和停滞，广泛用于模拟通信和数字通信设备、计算机网络及各种电子仪器设备^［3］。
2．2　通用浪涌保护网络
　　实际应用中对电力线通信Modem实施浪涌保护时，单个浪涌保护器件并不能有效的抑制浪涌，通常采用多个保护器件的级联保护网络。主要从两个方面考虑：一是其信号或通信回路部分；另一个是其供电电源部分。图3是一个典型的通用浪涌保护网络拓扑图。
　　在图2中，器件（例如压敏电阻）可以提供多层次的保护，通过分流来抑制瞬态浪涌但并不给予精确的控制。器件（例如电感）用不同级数的阻抗以隔离不同层次的浪涌保护。器件（例如二极管）电流容量比器件低，但却能提供更好的瞬态电压保护。第一级保护的原理是将电力线上的浪涌减小到一个适中的程度。此层次上典型的保护器件主要有火花放电管、气体放电管和压敏电阻等，这些器件通常没有精确的击穿电压和相对较慢的响应速度。第二级保护利用压敏电阻、雪崩二极管或者TVS进一步将瞬变电压减小到一个更安全的水平。最后一级保护利用TVS或者肖特基二极管等器件，击穿电压精确、响应时间快等特点将浪涌减少到能高速且可靠传输数据的范围。3浪涌保护网络
　　图2说明的仅是电力线通信浪涌保护通用拓扑网络，根据不同的通信质量和传输要求选择不同的浪涌抑制器，组成多级防护电路。下面介绍两种常用的浪涌保护网络：差模浪涌保护网络和共模浪涌保护网络^{［6］［7］}。
3．1　差模浪涌保护网络
　　图3所示的是差模浪涌保护网络，这是一个典型的三级保护网络。与通用电力线通信浪涌保护拓扑网络相比较，其中MOV1作为抑制瞬变电压的第一个分流器件，而TVS是第二个分流器件，TVS的高抑制能力使其成为第二和第三级浪涌保护的理想器件。阻塞电容C₁和耦合变压器T₁将第二级保护与第一级隔开，同时阻塞电容C₂和电感L₁隔开最后一级保护，并阻止TVS电容减小被保护Modem芯片的相位裕度。
　　在最后一级保护中，起保护作用的是一对单向TVS、一对肖特基二极管和Modem芯片中的一对ESD。这三种保护器件都允许一系列瞬变电压通过，但其击穿电压都不一样，TVS是8．5V，肖特基二极管是9．1V，而ESD二极管是10．7V。虽然看似只有TVS起到保护作用，实际上，当加在TVS的电压上升到其击穿电压后，TVS会变成低阻抗通道，TVS将会导通。随着通过TVS的电流继续加大，最后会上升到肖特基二极管的导通电压。如果电流持续上升，ESD二极管最终被击穿。
　　差模浪涌保护网络构成的多级防护电路不仅稳定性好，响应速度快，而且能多层次地抑制浪涌，保证了电力线通信的速度和质量。此保护网络是Intellon公司P111芯片的浪涌保护电路，并符合IEEEC62．41－1991浪涌保护标准。3．2　共模浪涌保护网络
　　如果电力线保护地和子系统地连接在一起，差模浪涌保护网络不足以胜任电力线上浪涌保护的任务，通常采用图4所示的共模保护网络来抑制共模浪涌，其工作原理与差模保护网络类似，所不同的是在第一层保护多了MOV2和MOV3，其作用与MOV1一样。
　　两种浪涌保护网络并不能满足所有不同环境和不同设备的浪涌保护要求。具体条件下，如何设计出高效的合格的浪涌保护是值得研究的问题。
　　印刷电路板的设计[1][2]下一页