MAX44211 – 适用于窄带电力线通信的线驱动器

　　引言

　　目前，电力线通信技术是一种半双工通信方式，通过配电系统进行传输。有两种类型的通信：窄带PLC和宽带PLC。窄带PLC的数据率大约为100kbps，工作频率范围为10 kHz至500 kHz;宽带PLC的数据率高于100Mbps，通信系统工作在2至100MHz频率范围。

　　通过已有电力设施传输数据最早用于电力线上的电话通信系统，后来在50年前被用于远程继电器控制和公共照明。现在，电力线上实现了双向通信，被用于家庭远程访问/控制、工业远程访问/控制，甚至能源领域的分布式发电系统。所有这一切都可通过被称为智能电网的公共平台实现。

　　每个家庭中带有独特通信设备的电表能够每月为供电方提供信息，无需对每个街道的每个家庭进行人工抄表。供电方以及消费者都拥有关于一个小城镇中一天里每个时段的供电和需量统计数据。这就能够提供非常重要的信息，便于高效利用电能，降低碳排放。这就通过可再生能源进行发电，并在配电系统中对其进行管理来释放更多潜在的能源。

　　图1 使用MAX44211线驱动器与交流电力线连接的Zeno调制解调器

　　英文解释：

　　communication modem 通信调制解调器

　　PROTECTION 保护

　　Line driver 线驱动器

　　ISOLATOR/COUPLER 隔离器/耦合器

　　AC MAINS 交流电源

　　1 MAX44211线驱动器

　　图1为使用MAX44211线驱动器与交流电力线连接的Zeno调制解调器，该调制解调器兼容G3-PLC和Prim标准。

　　尽管交流电力线的线阻一般额定值为50Ω，但实际情况往往并非如此。由于电力线上每个用户的需量不均衡，导致线阻发生变化。阻抗的动态变化是负载或负载变化引起的，其中的主要因素是电机，而几乎所有家用设备(洗衣机、冰箱、吸尘器)中都有电机。工业环境下也是如此，并且电机更多。这些电机不同于家用电器中的电机，而是功率高出10倍到100倍。电机在工作时倾向于向电网中倒灌EMI。功率开关/开关设备(例如逆变器或笔记本电脑充电器)也将噪声倒灌到电网，尽管其影响比前者小得多。为缓解这种影响，通常在电源输入端口安装一个大电容(1µF至100µF)。该电容在50Hz时对交流电源形成大约3kW阻抗，但100 kHz或500 kHz时，阻抗分别约为1.6W和0.3W。在较高频率时，包含电缆电阻在内，交流电源的阻抗为大约2W。

　　对于G3-PLC规范，发送到电网的最大可能带内信号功率约为126dBuV，更别提要求发送此类信号的调制解调器能够向交流电力线的此种动态阻抗驱动信号。

　　对于正弦波，126dBuV大约为2Vrms。通常情况下，驱动10至15W负载就要求调制解调器输出必须拥有相对较高的功率驱动。失真特性必须在标准规定的带外指标之内。标准运放不能满足这一要求，这正是MAX44211的作用。

　　MAX44211是一款低失真线驱动器，具有如下特性：

　　1)提供在负载变化条件下驱动交流电源所需的高输出功率;

　　2)可用于支持全球所有标准，例如CENELEC、ARIB、FCC;

　　3)提供1.5A较高最大输出电流，峰-峰输出差分电压摆幅高达36V;

　　4)具有高级诊断功能，可监测温度和输出过流。

　　2 特性和保护

　　MAX44211具有可变增益，提供四个不同的增益值。分别利用G0、G1输入选择增益。G0、G1输入通常由PLC调制解调器的GPIO端口控制，可在器件工作时实时更改增益，确保输出到电力线的功率符合要求。

　　可在调制解调器处于发送模式时使能输出，而在不使用时将其禁止。接收模式下，这些输出必须为高阻态，由此隔离发送通路，从而避免EMI和损坏。发送时，MAX44211的输出阻抗为毫欧数量级，禁止时高于35kΩ。

　　根据负载的功率需量以及负载变化的不同，设计者可计算出线驱动器的最大峰值电流需量。该值可用于设置限流值，使用相应的RSET值限制输出电流。MAX44211输出的最大峰值电流决定线驱动器的功耗，也为我们提供负载环境的指示。例如，假设信号为125dBuV，负载为50Ω。

　　125dBuv = 10^(125/20))/1000000 = 1.778Vrms，负载为50Ω时，电流为355mA (rms)

　　根据信号类型的不同，rms有效值与峰值之比可能不同(正弦波p-p = 2rt2 Irms) ( OFDM信号p-p = 6.6 x Irms)。同一125dBuV信号驱动至2Ω负载时，输出电流需量将为 0.889 A(1.778V/ 2 = 0.889 A)。因此，峰-峰电流高于MAX44211的最大输出电流2A。限流值由RSET决定，将输出箝位到限流值，确保器件不会被热击穿损坏。这种情况下，输出将失真。

　　3 STATUS 0/1输出

　　在应用中，STATUS输出通常连接到调制解调器的GPIO引脚。这些输出为调制器提供关于电力线负载及工作温度的关键信息，调制解调器可据此制定决策。

　　发生限流时，STATU-0输出变为低电平，向调制解调器表示重载条件。调制解调器可停止发送并等待几分钟，然后再次发送。

　　高温报警表示内部结温已经达到150°C，并在结温达到160°C时执行热关断。

　　如果在重载条件下继续发送数据，将会发生限流(STAT-0为低电平)。由于长时间高电流需量以及封装和电路板的功耗特性，内部结温会达到150°C;如果继续发送数据，最终将使器件进入热关断状态。

　　在较高环境温度下发送数据。PLC调制解调器往往采用标准IP-67封装。这种封装具有一定的防潮、防水能力，只需极少，甚至没有散热口。这些封装安装在附近变电站的数据集中器中，或者安装在家庭的墙壁插座。内部温度很容易飙升到75°C。

　　4 外部保护

　　图2 MAX44211输出与交流电源之间的隔离

　　隔离：MAX44211输出与交流电源之间具备正确的隔离。有两种隔离方式：

　　1)耦合器/变压器隔离;

　　2)无变压器隔离，使用容性隔离，LC电路用作对交流电源的耦合电路。

　　4.1 D1/ D2/ D3/ D4：肖特基二极管

　　MAX44211输出要求有箝位二极管，防止变压器或LC耦合网络中负载变化/开关引起的反电动势造成电压尖峰损害器件。肖特基二极管具有快速开关和较高电流密度，是此类应用中发生故障条件时将输出箝位到AVDD的最大电压以及将瞬态电流旁路的电源的理想选择。

　　4.2 D5：TVS二极管

　　连接到交流电源时，推荐使用双向TVS二极管进行保护。这些二极管具有浪涌保护功能，从而提供对电力线中EMI的抗扰性。浪涌事件期间，TVS二极管将传导-VBREAKDOWN至+VBREAKDOWN范围的信号，通过箝位到±VCLAMP来保护电路。

　　4.3 功耗(管芯和封装)和热设计

　　MAX44211采用4mmx4mm TQFN封装，带有裸焊盘及无铅封装，改善向电路板的导热。重载情况下发送PLC信号时，线驱动器的功耗可高达4W，这将升高器件的内部结温。温度保护电路监测内部温度，并在必要时发出报警或关断。

　　图3 EP和接地层之间布置多个过孔

　　建议在EP和接地层之间布置多个过孔，如图3所示。多个过孔可降低从封装表面到PCB的热阻。另外也建议在PCB设计中采用两个或多个接地层，层厚为2oz。

　　5线性度数据：

　　图4数据为50Ω负载时的线性度/失真信息，AVDD和旁路电容。

　　图4 数据为50Ω负载时的线性度/失真信息

　　英文解释：

　　Two tone linearity test 双音线性度测试

　　MAGNITUDE 音量

　　Frequency 频率