PLC设计规范

1、PLC简介

PLC全称PowerLine communication，指电力线通信网桥。可在100~240VAC在供电环境中，信号通过电力线传输。PLC目前有基础PLC Wifi，PLC POE等复合产品。

2、PLC模块介绍

PLC主要由电源供电模块组成，PLC对于复合产品，如模块组成PLC Wifi产品，则在PLC增加的基础Wifi模块。

3、电源模块

PLC产品比较特殊，采用高压电力线作为传输媒介，传输通信信号。因此，其供电是内置的AC-DC开关电源模块。电源设计与适配器设计相似，总结公司PLC设计传承技术的积累主要从以下几个方面进行介绍，起到承前启后的作用。

3.1初级电路设计

就PLC就产品而言，低压通信系统所需的功率较小。从目前的方案来看，其重载条件所需的输出功率大多不超过5W，因此，一般设计采用反激开关电源拓扑结构，具有结构简单的优点，广泛应用于电子产品中。

以下是反激拓扑结构的简单结构图：

对各部分做简要的设计说明：

3.1.1输入电路

输入电路由AC-DC全波整流电路构成如下：

其中BD201是全波整流器，2、3引脚是交流AC输入端；1、4脚为直流整流输出端，作为开关变换器电路的输入端。整流器为桥堆，耐压1KV的。C201是一个平滑的滤波电容器，在开关运行过程中，交流整流后的电压压降不会太大。该电容器可以按以下估计：C=I*T/?U。

其中，I在最小交流电压输入条件下，T工频交流电周期的一半(全波整流)，U允许纹波电压峰值(通常选择小于或等于30V）。根据输出功率，电容体验值一般为2-3uF/W选取。

3.1.2变压器及开关电路

目前我司PLC多采用产品电源设计LINK系列的LNK623DG芯片集成了一个7000的耐压芯片。V的MOS管道和稳压方式采用原侧反馈方式，可大大简化外围电路，变压器设计相对容易。以下电路T201为变压器。

总结以往的设计经验，本装置在设计时应注意以下几点：

1)，必须满足安全要求：采用三层绝缘线的二次绕组变压器设计，确保三层绝缘线端与初始线圈之间没有直接接触。如果有直接接触，通常的做法是在直接接触的地方加一个反向胶带，或者在其中一个加一个套管。

2)由于电源需要恒压输出，输出电流会随着整机系统的不同工作状态而变化LNK采用系列芯片PFM负载电流越小，开关频率越低。在低功耗模式下满足系统需求ErP因此，在变压器的设计中，匝比应设计合理，选择合适。在轻负荷（低功耗模式）、中负荷（系统空闲状态）和重负荷（系统通信状态）的条件下，开关频率不得落入人耳听觉范围，以避免音频噪声问题。最大磁通密度Bmax也不能太高。否则，音频噪音会变得更严重。Bmax可按以下公式计算验证：

Bmax=（L*I）/（N*Ae）。L为初级线圈开路电感(可通过LRC测试仪测得)，I初级线圈电流(可通过电流探头与示波器测量)，N变压器初级匝数比。Ae磁芯有效横截面积(可通过查询磁芯规格参数了解)。

3.2二次电路设计

根据反激开关电源的原理，在初级开关管开启过程中，二次绕组在输出整流二极管上加载的感应电势使输出整流二极管PN因此，在初级开关管开启过程中，二次绕组不向负载输出能量，负载所需的能量全部由储能滤波电容器提供。因为小功率开关电源通常是设计的DCM（电流不连续模式）模式，此模式下次级绕组在初级开关管开关关断期间输出能量，输出电流由最大值到0线性降低，所以，Iout=1/（2*Ipk）。其中，Ipk二次峰值输出电流。输出纹波电压为Vp-p,则有：

Vp-p=Ipk*Toff/Cmin,其中Toff关闭开关管的时间。从而获得二次储能滤波电容的估计值Cmin。

3.3安规处理

PLC因此，电源是危险的高压模块PCB设计应遵循相应的安全要求：

保险丝前的电线和焊盘离其他网络的最小电气间隙（PCB在设计图纸中测量air gap）大于等于2.5mm（2000M若海拔高度大于20000M，因此，在此基础上乘以相应。

1.初级电路之间的电气间隙大于或等于5mm，如果布局空间不足，可以降低到4mm，但需要在其间开2mm的槽。

2.变压器磁芯按初级部件统一处理，应注意与二次电路和部件的安全距离，以满足第二条的要求。双板结构PLC设计(信号部分和电源部分PCB分别设计，两者通过针连接)，注意电源板与信号板之间的安全距离。第二条不符合要求的，应当使用符合加强绝缘要求的材料进行隔离(通常使用0.4mm上述麦拉片或增加中框结构设计)

3.如果外壳需要打开散热，也需要注意打开应满足安全防火外壳的要求：从开口到外壳和5度角投影到外壳区域不能有高压侧元件，如果不满足这一要求，可以使用满足防火材料和可见高压侧元件的要求，使其看不见。

3.4电源底噪处理

由于PLC产品采用电源线进行信号传输，因此其通信频段不受电源噪声干扰，否则会影响其传输性能。因此，在设计中应充分考虑电源噪声对通信信号的影响。以下是电源噪声对线路耦合和空间耦合的影响PLC信号的影响及相应的处理方法：

1)线间耦合:线间耦合噪声主要是通过相线开关电源（live）和中线（neutral）产生的噪音不仅对EMC同时也会影响传导PLC影响传输性能。其中，150KHz~2MHz频段的噪声信号会影响EMC传导，2MHz以后的噪声信号会影响PLC传输性能。这种噪声的抑制主要取决于EM滤波电路实现，因此，PLC产品相对于其他开关电源产品来说，EMC滤波要求更高。

总结以往调试经验，针对线间耦合噪声，各个厂商的开关控制芯片其噪声信号强度会有不同的差异。PI方案的芯片产生的噪声信号强度较小，因此，其滤波电路设计相比二眼较为简单，只需在常规EMC滤波电路基础上在整流桥后增加一颗感值1mH左右的差模电感，即可实现较好的滤波效果。对于其余方案如iwatt以及on-bright等方案，最好的方式是在整流桥前后分别使用一颗感值为15mH的共模电感进行低通滤波，这种滤波方式取得的效果最好，可完全滤除2MHZ以后的电源噪声。

2）、空间耦合：空间耦合主要是磁性元器件之间的互感耦合。感性元器件之间会存在磁耦合，距离越近，耦合强度越高，因此，在PLC的 PCB设计时应充分考虑到空间耦合，尽量将磁性元器件间的距离拉开。

3.5 电源效率

电源效率的提高有以下几个方面：

1）、变压器设计：变压器设计对电源效率的影响主要有漏感、寄生电容、铁损、铜损等方面。

变压器初次级是通过磁耦合的方式传递能量的，初次级磁耦合越好，能量传递效率越高，而漏感是初次级线圈耦合过程中漏掉的磁通，因此，漏感越大，初次级耦合越差，能量传递效率越低，因此，尽量减小变压器漏感是提高电源效率的一个方式。变压器的三明治绕法是降低漏感的一个方式，但三明治绕法会增大寄生电容，EMI会变差。

变压器寄生电容的产生是由于导线之间存在变化的电压差。根据电容的计算公式，增大导线间距离可以减小寄生电容；但增大导线间距又会是的漏感增大，因此，在实际设计中应根据EMI和效率对漏感和寄生电容进行调整以达到最佳效果。

铁损是由变压器磁芯所产生的涡流损耗，主要体现在温升上，空载下初级绕组电流很小，铜损可忽略，因此可近似认为是铁损。铜损是导线的直流电阻产生的损耗，可通过短路测试测得。方法是短接次级绕组，在初级绕组两端加上一适当小的电压，使通过两个绕组的电流都等于额定值，此时的功率即可近似认为是铜损。当铁损等于铜损时，变压器效率最高。

2）、开关管导通电阻：开关管导通电阻越大，开关损耗越大，因此，选取较小导通电阻的开关管，也是提高电源效率的一个方式。

3）、RCD吸收电路。RCD吸收电路消耗了一部分能量，是降低电源效率的一个方面，因此，在满足EMI的条件下，适当调整RCD吸收电路的电容容值以及其并联电阻阻值也可提高一些电源效率。

4）、输出整流二极管正向导通压降：由于输出整流二级管有导通压降，在有电流流过二极管时，此导通压降会消耗能量。因此，使用低导通压降的输出整流二极管，有助于提高电源效率。

5）、输出电压：由第4点可知，在相同输出功率的条件下，电流越大，二极管所消耗的能量越大，效率越低。因此，相同输出功率条件下，可通过提高输出电压来降低输出电流，以减小二极管导通损耗，提高效率。

3.6 其他注意项

AC-DC电源是危险电压模块，调试时需注意以下事项:

1) 首次上电不能直接加90V或230V交流输入电压，需从0V输入开始，缓慢增大输入电压至40V左右，若输入功耗无异常，再调节输入电压到所需电压值，否则若电路有异常易引起炸机现象，危及人身安全。

2) 若上电后发现无输出的电源，移除输入电源后一定要注意：初级侧高压铝电解电容很可能已经储存了能量而得不到释放，一定要对其作放电处理，否则可能会导致铝电解电容储存能量不经意间释放（如人手触碰或者焊接时烙铁触碰）而导致遭受电击或者损坏电路元件。

4、PLC模块

4.1 AFE电路设计

4.1.1 耦合变压器

（1）、首先注意耦合变压器的两端分别属于初次级，需要保证满足安规要求，如目前一般的要求是5.2mm（0.2mm是余量要求），当距离在4~5mm时，可以开槽处理。线使用三层绝缘线，并避免烫伤而导致安规距离不满足要求。

（2）、布局时尽量远离其他感性器件的干扰，针对BCM的双板结构，尽量放在靠近AFE端。

（3）、可通过频谱分析仪校验，选用合适的磁芯及匝数比，优化产品性能。

4.1.2 电压冲击防护

（1）、如下面电路，设计过程中2.2R电阻需要选用1206封装。

 

（2）如下图，耦合变压器前段需要放置TVS管，可明显降低脉冲电压。

 

4.2 DSP电路设计

（1）、对于新方案，新IC封装，需要仔细检查封装。

（2）、需要评估功耗，并做好散热评估和处理。

4.3 Phy电路设计

（1）、网络变压器同IC的连接容易出错，一定要仔细检查，如网口连接的TX+对应IC的TX+要保持一致。

（2）、设计中最好预留10pF的EMC调试电容。

4.4 插头

PLC按产品形态分，主要分WallMount和PassThrough两种。其中PassThrough产品配戴插头，各款插头需要按照不同国家的标准设计尺寸形状和耐压耐流能力。如德规插头需要满足250VAC/16A的带载要求，认证时需要满足250VAC/20A的带载要求。因此：

（1）硬件散热，需要加厚PCB铜厚满足大电流通过，表面处理方式用无铅喷锡和打小孔，并且添加锡条的方式加快散热。

（2）硬件设计，电感需要使用阻抗在2mohm以下，感量可选用1.3uH物料。而且由于有103X电容，因此在电源板上面需要有放电回路。

（3）结构散热，铆接处需要牢靠，弹片厚道要0.3mm以上，使用垫片螺丝，螺丝锁紧等方面保证温度不会过高。

（4）结构牢固，需要满足拔插次数、拔插用力要求、带重能力等要求。

4.5 其他

（1）DDR，Layout时注意走线的长度要求。

（2）晶体，IC发热量小的可靠近IC，IC发热量大的，需远离IC，避免温度超标。

（3）排针排母，针对两块板的产品会通过排针排母连接，需要注意连接可靠性，信号和电源之间最好有地隔离，并且放置电容去噪和续流。

（4）DC/DC，需要注意电容的耐压和电感的耐流，在性能调试时可以选用屏蔽的电感验证。

（5）布局，RX回路、电源变压器、共模电感、网络变压器、信号耦合变压器、电感等感性物料容易互相干扰影响性能，需要尽量避开。

（6）EMC，电源底噪要做好，网口、排针预留电容，RX、TX时钟线留电阻，软件调整发射功率。

（7）Layout，RX/TX走20mil，离旁边的地15mil。尖端需要屑平。边沿加孔。

5、Wifi模块

WIFI模块作为PLC产品的一种扩展，可以使PLC产品的使用更灵活，覆盖更好，在用户体验时能够跟PLC模块形成很好的互补。

WIFI模块跟普通的无线硬件产品一样，RF的设计要遵循RF最基本的一些原则，但由于PLC产品小型化要求较高，有高压部分，WIFI设计时布局比较紧凑，天线基本是内置天线，这些因素会带来安规、结构以及干扰等方面的问题。下面就PLC产品中WIFI常遇到的一些问题进行简单介绍。

（1）、温升

PLC+WIFI产品功耗一般比较高，在产品设计初期就要充分考虑散热问题。

（2）、天线

PLC+WIFI产品一般要求尺寸较小，在产品设计初期就应该充分考虑天线的选型和布局。

（3）、结构

PLC+WIFI一般是双板结构，装配比较复杂，在设计初期要考虑装配问题，主要要防盲插，规定好天线的cable走向等等。

（4）、安规

由于PLC+WIFI产品由高压部分，WIFI模块需要满足客户需求的安规距离要求

（5）、干扰

由于尺寸比较小，噪声容易串扰，影响无线性能，需要预留电容，电感及屏蔽罩。

（6）、RE

和其它的AP一样，DDR，射频，时钟走线容易导致RE问题，对于这些模块可以参考通用的处理方式。

在PLC+WIFI中，PLC和WIFI之间一般用PHY-PHY级联，双板结构，两板之间用排针连接，25MHz的以太网信号通过排针时，排针相当于天线，会带来RE问题，需要在PHY-PHY的差分对上预留对地电容。

在PLC+WIFI的网口差分对中同样要预留对地电容，预防由网口带来的RE问题。

（7）、无线性能

在测试内置天线的无线性能时需要调整陪测网卡的天线的方向，陪测网卡的天线最好与待测样机的天线平行。