L—PLC系统中功率放大电路的设计

摘要：电力线通信也称之为PLC，此类通信方式需要用到的信号有电力传输数据以及语音等。本文从特点方面，对L-PLC系统进行了基本的分析，在放大电路功率时应用了分立元件和TLE2301，并在实地进行了测量。结合对低压PLC通信所提出的特殊要求，对一个能够大范围输出信号、输出阻抗并不大的功率放大器进行了设计制作，在该设备中应用了TLE2301后实现了对电源效率的提升。

关键词：电力线载波通信;功率放大电路;TLE2301;三态控制

一、功率放大电路简介

相比以往在电路中放大电压或电流不同的是，在电路中放大功率是为了实现对大功率的输出，主要具有提供负载功率的功能，其能够实现对负载的直接驱动，具有较强的带载能力。对于部分通用设备来说，我们需要对其输出电流或电压大小加以及输出功率加以考虑，如此能够为正常运行提供相应的负载，例如扬声器以及电动机的音圈或控制绕组等等[1]。

二、低压电力线载波通信系统设计及信道分析

DSP设备中所进入的低压电力线信号不仅经过了耦合网络以及滤波网络的处理，并且经过了增益设备的自动放大，信号在经过功率放大器以及耦合网络的处理后，会进入到低压电力线中，进而将信号发送给低压电力线，并被低压电力线所接收。

由于所接入和切除的用户负荷是随机的，因此低压PLC通信相比普通有线通信线路具有更加复杂的衰减特性，随机性和时变性非常强。总的来说，频率越大电力线上就会出现越大的衰减;然而由于部分频率点在负载情况下存在着共振问题，并且传输线会对其造成影响，因此，会突然出现快速衰减，一般来说此类频率会出现长时间的选择性衰落，并且不会出现大范围的影响频率[2]。再加上低压配电网具有较多的分支节点，各节点具有不相匹配的节点，因此会出现反射信号以及谐振信号等。并且通常来说低压电力线载波网络中不存在阻波器，降低了多径干扰的形成难度。

整个系统中的功率放大器是最重要的部分之一。由于该设备在处理信号的过程中需要缩小信号，信号在经过调制以及处理后，由于电力线存在着一定的阻抗，因此直接在耦合电路中联入会由于信号过小而出现快速衰减，因此无法成功通信。所以，必须要借助现代技术来放大信号功率，以此来顺利的进行通信。在结合了实际情况后，发现功率放下器主要应用了如下技术：

（1）其所输出的功率足够大，因此能够正常的在耦合系统和相关电路中正常传输信号;

（2）功率放大器需要具有能够匹配耦合电路阻抗的额定负载阻抗;

（3）由于电力线具有变化较大的负荷，因此放电路需要能够带负载;

（4）功率放大器需要能够稳定工作，并具有可靠的性能[3]。

三、基于 TLE2301 的功率放大电路设计

本文根据OTL的典型特征对如图2所示的实验电路进行了搭建。该电力的电压放大器在前端，后端的ui能够将信号输入到OTL电路中，Vcc中接的直流电源为12V，u0口能够实现对信号的输出。

为了满足系统功率要求，两个三极管分别采用G1=TIP41C，G2=TIP42C。为了使整个电路的效果达到最佳状态，调整R1，R2，RL 使放大倍数达到最佳状态。

①当 R1= 2KΩ，R2=2KΩ，RL=750Ω，C1=C2=0.1μF。经过测 试，此时直流电源由12V降为10V，而且G1，G2发热，微烫。经 过分析这是由于R1，R2较小，即电路的输入电阻较小，致使直 流电源电压输出减小。

②当 R1= 10KΩ，R2=10KΩ，RL=750Ω，C1=C2=0.1μF。经过 测试输入 ui 为 5V 时，不失真的情况下最大输出电压 uo 为 4.8V （再增大则出现削波失真） 此时的原因是由于 R1，R2 太大，Vbe 无法达到微导通电压。

③当 R1= 5.1KΩ，R2=5.1KΩ，RL=510Ω，C1=C2=0.1μF。经 过测试输入ui为7.4V时，不失真的情况下最大输出电压 uo 为 7.2V 此时测得直流电源电压不变，仍为 12V，输入信号达到临 界状态。

由分立元件设计的功率放大电路能满足基本设计要求，但是实测效果并不是很好，在 12V 直流电源情况下，所能输出 的最大电压为 7.2V;其频率范围比较宽，选频特性比较差;对 于 150Ω 以后的电阻输出电压稳定，带负载能力一般。为了进 一步改进功率放大效果，根据系统要求，我们选定 Texas 公司 开发的 TLE2301 进行电路设计。

（一）TLE2301 简介

本文所选用的TLE2301是由Texas公司设计的，具有放大电路功率的功能，采用该电路能够放大发送信号的功率。TLE2301能夠运放宽带功率，它的2和AB类输出级具有良好的保真效果，各输出级都能够实现对500mA以上的电流输出，所以在高频率下能够实现对1A最大电流的输出，并且总谐波具有较高的保真能力。想要提升输出级的阻抗，就可以控制对芯片的三态进行控制，减少电源电流不超过3.5mA，同时将Excalibur应用到了该器件中，因此电压具有了12V/us的转换率。此外，该芯片具有8MHz的增益带宽积，而本文在放大电路功率后，信号达到了50kHz-100kHz频带范围，电压+4V/V增益，根据相关定义通过与增益带宽积的结合得知，通过对该款功放芯片的使用，能够为本课题设计提供完全满足需求的参数。本文设计了如图3所示的功放电路，IN和OUT端分别能够输入和输出未放大和放大后的信号。

其主要特点如下：

1）具有 1A 的高输出驱动能力（最小）;

2）具有三态输出;

3）增益带宽积达 8MHz （典型）;

4）总谐波失真小于 0. 08 %（典型） ;

5）转换速率高达 12V/μs ;

6）AB 类输出级;

7）具有过热关断功能;

8）可用于电力线路的信号电路驱动

（二）基于TLE2301的功率放大电路

本文所采用的TLE2301能够在40-90kHz范围内工作，采用了±5V的电压，该电路具有可扩增到3-95kHz的实际应用频段。该电路的上下限频率分别为90kHz和40kHz。如果信号范围在40-90kHz之间，那么在电力网络通220V交流电时，不会产生较高的阻抗，因此，能够该电路对一个4Ω电源线的驱动仅需40-90kHz的宽带，具有较强的带负载能力。

在进行发送的过程中，电力网络所接收到的220V交流电信号源阻抗并不高。发送器在发送和不发送信号时都处于激活状态，因此在连接部分发送器时，它们所具有的负载总和就会对电力线造成一定的影响，降低其阻抗到无法接受的程度。如此，每个阻抗较低的电力线都需要一个发送器来进行驱动，并且发送器从远处出来的信号会出现明显的衰减。为了实现对此类问题的解决，需要采用一个不发送信号时阻抗依然较高的发送器。所以，电力线网络在任意时期都只能实现对部分发送回器的加载，如此能够保证电力线良好的接受各类信号。由于TLE2301自身能够实现对三种状态的输出，所以，在没有附加电路的情况下，就能够具有该功能。此外，由于TLE2301在待机电流较低时才能够具有三态，因此，TLE2301这一低功耗器件是与理想型。图4中显示了各元器件所具有的详细参数。图中显示了经过1.96倍增益的功率放大器，在設置增益的过程中，需要结合RF和RI。在设计期间需要尽可能的对放大器进行利用，以此来通过对电压幅度的放大来尽可能的降低TLE2301的功耗。在达到饱和前，放大器可能输出2V左右的电源电压。

四、实测TLE2301的功率放大电路

下图某实验室实际测得的TLE2301放大效果。

当电路中接入50Ω的负载时，能够实现对100KH频率的信号的输入，如图4所示为其输入电压和输出电压之间的关系。

分析：TLE2301能够实现对40kHz-90kHz频率的1V电压的稳定输入，在4K-200KHZ频率内都能够具有放大功能。所以，采用TLE2301来放大电路功率，能够使电力线具有与要求相符的载波通信频率。在功放电路中应用TLE2301，能够在4Ω的负载电压下实现对电压的稳定输出，而功放电路中应用分立元件，只有在150Ω时才能够实现对电压的稳定输出。所以，TLE2301具有较强的带负载能力，适用于符合变化较大的电力线载波通信中。

结束语：

借助TLE2301芯片来对电路功率进行放大，能够率先对良好信噪比的提供，能够更好的耦合和传输载波信号。相比以往的功率放大电路来说，其能够实现对1A电流的输出，并且总谐波具有良好的保真性能，能够实现对三态的控制，增益带宽积达到了8MHz，能够在电力线路中驱动信号电路，并且可以为4Ω的负载提供驱动力，实现了对负载能力的显著提升。

参考文献：

[1]喻学涛. 基于PLC的电子网络通信设备自动控制系统设计[J]. 现代电子技术，2017，40（022）：107-109.

[2]陈朝俊. 基于小型PLC的数据监控与传输系统优化设计与实现[J]. 现代电子技术，2017，040（002）：163-166，170.

[3]马立丽，马金龙. 低压PLC信号自动增益放大接收电路设计[J]. 电子质量，2008.

作者简介：郭栩文 2001.04 男 本科在读 电子信息工程 上海海事大学 上海市浦东新区 201306。