【導(dǎo)讀】在基于雙線數(shù)據(jù)線供電（PoD） 架構(gòu)的Home Bus系統(tǒng)中，"交流阻斷"電感承擔(dān)著分離數(shù)據(jù)信號(hào)與直流電源的關(guān)鍵角色。其性能表現(xiàn)直接決定了通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，因此如何精準(zhǔn)選型成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。本文將從工程實(shí)踐角度出發(fā)，詳細(xì)闡述此類特殊應(yīng)用場(chǎng)景下的電感篩選標(biāo)準(zhǔn)與系統(tǒng)性評(píng)估方法，為構(gòu)建高性能Home Bus網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)支撐。
摘要
在基于雙線數(shù)據(jù)線供電（PoD） 架構(gòu)的Home Bus系統(tǒng)中，"交流阻斷"電感承擔(dān)著分離數(shù)據(jù)信號(hào)與直流電源的關(guān)鍵角色。其性能表現(xiàn)直接決定了通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，因此如何精準(zhǔn)選型成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。本文將從工程實(shí)踐角度出發(fā)，詳細(xì)闡述此類特殊應(yīng)用場(chǎng)景下的電感篩選標(biāo)準(zhǔn)與系統(tǒng)性評(píng)估方法，為構(gòu)建高性能Home Bus網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)支撐。
引言
在工業(yè)自動(dòng)化和樓宇控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中，有些節(jié)點(diǎn)可能無法接入電源插座，這時(shí)就需要一種既能傳輸數(shù)據(jù)、又能提供電力的解決方案，用于連接多個(gè)電路板，比如一個(gè)控制器和一個(gè)或多個(gè)傳感器或執(zhí)行器板。如果所有電路板都集中安裝在同一機(jī)箱中，那么實(shí)現(xiàn)上述連接會(huì)很簡(jiǎn)單。然而，在典型的控制器-節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，電路板通常相距數(shù)米。隨著節(jié)點(diǎn)間距離的增加和節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增長(zhǎng)，布線成本也隨之上升，不僅會(huì)占據(jù)解決方案總成本的很大一部分，還會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成顯著影響。
一種解決方案是使用四線電纜，一對(duì)線用于數(shù)據(jù)通信，另一對(duì)線用于供電。其優(yōu)點(diǎn)是解決方案相對(duì)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是電纜成本和重量會(huì)增加。更簡(jiǎn)潔的解決方案是使用單對(duì)導(dǎo)線來同時(shí)提供數(shù)據(jù)和電力，這正是數(shù)據(jù)線供電(PoD)解決方案的核心理念。
業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出許多不同的PoD解決方案來滿足不同類型最終應(yīng)用的需求。本應(yīng)用筆記討論針對(duì)工業(yè)通信或樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)中常見的專有或臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)的PoD解決方案。這些解決方案有別于基于以太網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)的解決方案，后者通常被稱為以太網(wǎng)供電(PoE)，而較新的單對(duì)以太網(wǎng)(SPE)解決方案則將其稱為數(shù)據(jù)線供電(PoDL)。有關(guān)PoE或PoDL解決方案的信息，請(qǐng)參閱ADI的Chronous產(chǎn)品系列。
數(shù)據(jù)線供電技術(shù)
技術(shù)概述
數(shù)據(jù)線供電(PoD)技術(shù)使用雙線總線同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上連接的設(shè)備傳輸電力和數(shù)據(jù)。電力感性耦合到雙線總線上，而數(shù)據(jù)則是容性耦合。在PoD方案中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要電感來“阻斷”交流數(shù)據(jù)信號(hào)，使其不干擾直流供電。此類電感通常被稱為“交流阻斷”電感。雙線總線和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的收發(fā)器之間需要電容來將數(shù)據(jù)信號(hào)耦合到總線上。此類電容通常被稱為“交流耦合”電容。
圖1顯示了使用雙線總線的典型多節(jié)點(diǎn)PoD網(wǎng)絡(luò)。這是一個(gè)半雙工網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)動(dòng)器和接收器使用一對(duì)線路，數(shù)據(jù)可以在任一方向上傳輸，但不能在兩個(gè)方向同時(shí)傳輸。任意節(jié)點(diǎn)可以在任何給定時(shí)間于總線上傳輸數(shù)據(jù)，所有其他節(jié)點(diǎn)可以接收數(shù)據(jù)?！翱偩€”是一種雙線電纜，通常是雙絞線或平行線。此電纜具有特性阻抗(Z0)。在圖1中，為了實(shí)現(xiàn)理想的信號(hào)質(zhì)量，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)N處安裝了端接電阻(RT = Z0)。典型的多節(jié)點(diǎn)PoD網(wǎng)絡(luò)允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)為總線供電，多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以從總線獲得電力。在本例中，節(jié)點(diǎn)1為總線供電，其他n-1個(gè)節(jié)點(diǎn)是負(fù)載或受電節(jié)點(diǎn)。
圖1.多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)線供電(PoD)網(wǎng)絡(luò)
在許多工業(yè)PoD系統(tǒng)中，工程師采用標(biāo)準(zhǔn)RS-485（或CAN）收發(fā)器構(gòu)建物理層，并實(shí)施一些專有方法通過數(shù)據(jù)線供電。這種收發(fā)器已經(jīng)很成熟，能夠在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)健地傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)工程師面臨的挑戰(zhàn)在于，如何開發(fā)出一種既可靠穩(wěn)健，又具備成本效益，同時(shí)占用PCB空間極小的電力傳輸方法。需要注意的是，“交流阻斷”電感的尺寸和成本會(huì)因網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率和功率容量的不同而有很大差異。
RS-485是物理層標(biāo)準(zhǔn)（OSI模型的第1層），因此它沒有固有的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議（幀、數(shù)據(jù)包等）。對(duì)于PoD網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施的協(xié)議軟件必須包含某種數(shù)據(jù)編碼方案（如曼徹斯特編碼或8b/10b），以消除可能出現(xiàn)的長(zhǎng)串0或1，避免通過總線傳輸電力時(shí)因長(zhǎng)串0或1而導(dǎo)致直流不平衡。此類編碼的一個(gè)缺點(diǎn)是需要額外的處理周期，并且可能造成額外的延遲。
采用PoD架構(gòu)的系統(tǒng)接口往往具有相對(duì)較低的數(shù)據(jù)速率（通常低于5Mbps），能夠支持許多節(jié)點(diǎn)（64個(gè)或更多），并且支持長(zhǎng)距離電纜（數(shù)百米）。然而，專有通信協(xié)議雖然在封閉系統(tǒng)中運(yùn)行良好，但在其他環(huán)境中可能會(huì)妨礙設(shè)備之間的互操作性。
系統(tǒng)考慮因素
在典型場(chǎng)景中，尋求PoD解決方案的工程師通常會(huì)關(guān)注以下需求：
? 電力傳輸（供電節(jié)點(diǎn)通常為24V DC，每個(gè)受電節(jié)點(diǎn)為2W至5W）
? 極性無關(guān)，簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)連接，減少接線錯(cuò)誤。
? 數(shù)據(jù)編碼方案應(yīng)使總線保持直流平衡。
? 盡量減小電感尺寸以節(jié)省成本和PCB空間。
? 性能穩(wěn)健，包括ESD和EFT等瞬態(tài)抗擾度。
供電節(jié)點(diǎn)與受電節(jié)點(diǎn)
最常見的情況是，系統(tǒng)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)是供電節(jié)點(diǎn)（圖1中的節(jié)點(diǎn)1），而網(wǎng)絡(luò)上的多個(gè)節(jié)點(diǎn)是受電節(jié)點(diǎn)，由供電節(jié)點(diǎn)向受電節(jié)點(diǎn)供電。為這些不同類型的節(jié)點(diǎn)選擇“交流阻斷”電感時(shí)，需要考慮不同的因素。供電節(jié)點(diǎn)的電感必須能夠向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸送全部功率，這通常要求選用較大尺寸的“交流阻斷”電感。受電節(jié)點(diǎn)的電感應(yīng)當(dāng)進(jìn)行優(yōu)化，以支持每個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地功率需求。
電感尺寸
每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的“交流阻斷”電感的作用是將交流數(shù)據(jù)信號(hào)與直流電源分開。PoD系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)速率相對(duì)較低，這些電感的大小在毫亨(mH)級(jí)別，因此電感體積較大，成本較高。圖2顯示了PoD系統(tǒng)在不同通道數(shù)據(jù)速率下所需的電感。
圖2.每通道最小電感與頻率的關(guān)系
當(dāng)要支持更高電流傳輸時(shí)，電感尺寸會(huì)變得更大，這與當(dāng)下系統(tǒng)持續(xù)縮小的趨勢(shì)形成沖突，可能成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大障礙。
Home Bus系統(tǒng)
Home Bus系統(tǒng)架構(gòu)概述
Home Bus系統(tǒng)(HBS)是一種流行的PoD解決方案，針對(duì)家庭和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。ADI公司的Home Bus產(chǎn)品系列支持實(shí)現(xiàn)高效率、高性能的PoD應(yīng)用。有關(guān)Home Bus標(biāo)準(zhǔn)及其運(yùn)行原理的更多信息，請(qǐng)參閱Home Bus簡(jiǎn)介應(yīng)用筆記。
MAX22288收發(fā)器專為PoD系統(tǒng)中的供電節(jié)點(diǎn)而設(shè)計(jì)，供電節(jié)點(diǎn)需要外部“交流阻斷”電感來供電。MAX22088收發(fā)器則集成了“交流阻斷”電感，因而能夠在PoD系統(tǒng)中的受電節(jié)點(diǎn)上使用，無需外部“交流阻斷”電感。
圖3顯示了一個(gè)雙節(jié)點(diǎn)Home Bus網(wǎng)絡(luò)，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)使用MAX22288，充當(dāng)供電節(jié)點(diǎn)；另一個(gè)節(jié)點(diǎn)使用MAX22088，充當(dāng)受電節(jié)點(diǎn)。本應(yīng)用筆記將討論如何為供電節(jié)點(diǎn)選擇電感，如圖3中的L1所示。請(qǐng)注意，受電節(jié)點(diǎn)不需要外部電感，因?yàn)镸AX22088集成了有源電感電路以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、減少PCB空間并節(jié)省成本。
圖3.典型的雙節(jié)點(diǎn)Home Bus系統(tǒng)
總線端接
Home Bus標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同通信距離對(duì)應(yīng)的總線負(fù)載電阻，如表1所示?？偩€負(fù)載電阻是雙線總線上維持所有驅(qū)動(dòng)器和接收器的最小差模電壓所必需的最小電阻（最大負(fù)載）。在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載電阻很大程度上由收發(fā)器處的端接電阻(RT)決定。為了在總線上獲得理想信號(hào)質(zhì)量，端接電阻應(yīng)與電纜的特性阻抗(Z0)相匹配。
表1.Home Bus負(fù)載電阻
*如果使用特性阻抗(Z0)不同的電纜，則應(yīng)調(diào)整端接電阻(RT)以匹配應(yīng)用中實(shí)際電纜的特性阻抗。
MAX22288和MAX22088具有動(dòng)態(tài)電纜端接、可配置接收器閾值和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器擺率等特性，可確保獲得更好的信號(hào)質(zhì)量和靈活的設(shè)計(jì)。有關(guān)這些特性的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱MAX22288數(shù)據(jù)手冊(cè)。
總線電感
總線的總負(fù)載阻抗(ZBUS)是總線看到的端接電阻(RT)、電感(ZL)和電容(ZC)的組合，它必須大于表1所示的最小總線負(fù)載電阻。圖4顯示了雙節(jié)點(diǎn)Home Bus網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化等效模型，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用MAX22288，節(jié)點(diǎn)1向總線供電，節(jié)點(diǎn)2從總線獲得電力。
圖4.雙節(jié)點(diǎn)Home Bus網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化等效模型
要計(jì)算總線總阻抗，應(yīng)考慮總線上的所有元件，按照下式計(jì)算ZBUS：
請(qǐng)注意，L1、C1和R1是節(jié)點(diǎn)1的元件值，f是數(shù)據(jù)速率（單位為赫茲）：
●交流阻斷電感L1，其阻抗ZL1 = 2π x f x L1
●交流耦合電容C1，其阻抗ZC1 = 1/(2π x f x C1)
●以及端接電阻R1
同樣，L2、C2和R2是節(jié)點(diǎn)2的元件值。
假設(shè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
●端接電阻R1 = R2 = 1kΩ，Home Bus收發(fā)器節(jié)點(diǎn)為高阻抗
●交流耦合電容C1 = C2 = 22μF
●數(shù)據(jù)速率為10kbps，或f = 5kHz
總線的總阻抗(ZBUS)必須至少為100Ω，以滿足Home Bus的負(fù)載要求。
在雙節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，供應(yīng)的總功率等于輸送的總功率。因此，假設(shè)電感L1 = L2，求解ZL：
在10kpbs數(shù)據(jù)速率下，所需電感L1、L2為：
表2顯示了典型的雙節(jié)點(diǎn)Home Bus應(yīng)用中所需的最小總電感。
表2.所需總線總電感與數(shù)據(jù)速率的關(guān)系
注：假設(shè)ZBUS = 100Ω
如果受電節(jié)點(diǎn)使用MAX22088收發(fā)器，則可以利用MAX22088集成的“有源電感”向該節(jié)點(diǎn)輸送電力。此有源電感可調(diào)，并且可利用MAX22088數(shù)據(jù)手冊(cè)“有源電感”部分所示的公式針對(duì)不同總線條件進(jìn)行優(yōu)化。
請(qǐng)注意，由于MAX22088有源電路的實(shí)現(xiàn)方式，MAX22088的瞬態(tài)響應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)差模電感不同。此外，為了支持動(dòng)態(tài)電纜端接，建議增加電感值，以補(bǔ)償連接動(dòng)態(tài)端接的情況下總線上阻抗的突然損失。欲了解更多信息，請(qǐng)參閱MAX22088數(shù)據(jù)手冊(cè)中的“動(dòng)態(tài)電纜端接”部分。在有多個(gè)連接節(jié)點(diǎn)的更復(fù)雜系統(tǒng)中，電感值會(huì)發(fā)生變化。針對(duì)不同節(jié)點(diǎn)數(shù)的多節(jié)點(diǎn)配置中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，圖5提供了所需總線電感的估計(jì)值。
圖5.多節(jié)點(diǎn)Home Bus網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)所需的總線電感
在使用長(zhǎng)電纜的通信系統(tǒng)中，電纜兩端的端接對(duì)于減少反射和提高信號(hào)質(zhì)量非常重要。務(wù)必僅端接最遠(yuǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)；否則，總線負(fù)荷會(huì)顯著增加。對(duì)于更高速度的應(yīng)用，所需的電感會(huì)降低。不過，增加電感不會(huì)對(duì)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。
電感選擇
選擇配合MAX22288供電節(jié)點(diǎn)使用的“交流阻斷”電感，對(duì)于確保多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)可靠運(yùn)行至關(guān)重要。雙線總線需要兩個(gè)電感，或者說一對(duì)電感。
電感對(duì)根據(jù)其在電路中的連接方式，可配置為不同的模式。最常見的兩種配置是差模和共模。在差模配置中，電流沿一個(gè)方向流過一個(gè)電感，并沿相反方向通過另一個(gè)電感返回，從而完成循環(huán)。在共模配置中，電流沿同一方向流過兩個(gè)電感。這些配置有不同的用途。
差模配置會(huì)阻礙差模信號(hào)通過，但允許共模信號(hào)通過。對(duì)于差模信號(hào)，磁通沿相反方向通過電感，相互抵消，因此允許差分信號(hào)通過扼流圈。
共模配置在共模信號(hào)通過時(shí)變?yōu)楦咦杩?，在差模信?hào)通過時(shí)變?yōu)榈妥杩埂D6顯示兩個(gè)電感排列成雙線共模扼流圈。共模信號(hào)產(chǎn)生的磁通方向相同，因此會(huì)阻礙共模信號(hào)。
圖6.共模扼流圈的工作原理
在Home Bus應(yīng)用中，數(shù)據(jù)以差分方式通過雙線總線傳輸，“交流阻斷電感”（實(shí)際上是一對(duì)電感）必須配置為對(duì)這些差模數(shù)據(jù)信號(hào)呈現(xiàn)高阻抗。差模電感會(huì)阻礙這些差模數(shù)據(jù)信號(hào)；因此，“交流阻斷”電感在運(yùn)行時(shí)需要提供差模電感。
圖7顯示，當(dāng)供電節(jié)點(diǎn)中的電感對(duì)（圖3中L1）配置為差模時(shí)，通信正常（左），但當(dāng)該電感對(duì)配置為共模時(shí)，波形異常（右）。
圖7.“交流阻斷”電感必須采用差模配置
為Home Bus應(yīng)用選擇差模“交流阻斷”電感時(shí)，必須滿足以下條件：
電感對(duì)的匝數(shù)比必須為1:1。這是為了實(shí)現(xiàn)平衡操作：數(shù)據(jù)信號(hào)方向相反，但幅度對(duì)稱。
飽和電流必須高于總線上的最大工作電流。一旦磁芯飽和，電感就會(huì)顯著減小。
電感對(duì)至少須提供所需的最小差模電感。請(qǐng)參閱總線電感部分以確定需要多大的電感。
電感對(duì)的直流電阻(DCR)必須非常低，通常應(yīng)小于10Ω。低DCR可降低直流電傳輸?shù)碾妷簱p失，提升網(wǎng)絡(luò)的整體效率。
建議自諧振頻率至少為數(shù)據(jù)速率的10倍，以確保電感對(duì)在正常條件下以“電感”方式運(yùn)行。
電感方案
在Home Bus應(yīng)用中，ADI公司建議使用耦合電感或兩個(gè)獨(dú)立電感作為“交流阻斷”電感。
不建議使用變壓器或共模扼流圈作為“交流阻斷”電感。
使用耦合電感
建議將差模耦合電感配合Home Bus系統(tǒng)使用。不同供應(yīng)商對(duì)這類耦合電感有不同的叫法，例如功率電感、扼流圈，甚至變壓器。耦合電感是一組通過公共磁芯耦合的電感，其耦合系數(shù)(k)接近于1。k越接近1，磁耦合越好，泄漏越少。傳統(tǒng)上，耦合電感用于電力電子電路，例如反激式轉(zhuǎn)換器電路。雖然其直流電阻和額定電流可能滿足Home Bus應(yīng)用要求，但電感值通常小于幾百微亨(μH)。要在Home Bus應(yīng)用中使用耦合電感，須選擇具有足夠電感值的電感，并注意其測(cè)試條件。電感數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)格通常是在針對(duì)非Home Bus應(yīng)用的條件下標(biāo)定的。因此，建議按照測(cè)量差模電感部分中的步驟，在目標(biāo)工作條件下測(cè)量并標(biāo)定差模電感。
使用兩個(gè)獨(dú)立電感
可以使用兩個(gè)單獨(dú)的電感在PCB上創(chuàng)建自己的“耦合電感”。采用此方案時(shí)請(qǐng)遵循如下兩條規(guī)則：
規(guī)則1：兩個(gè)電感應(yīng)盡可能相互靠近放置，以減少磁通泄漏。
規(guī)則2：以差模配置將其配對(duì)。放置兩個(gè)單獨(dú)電感，使得在差模信號(hào)通過時(shí)，磁通沿相同方向產(chǎn)生。
下面的例子使用兩個(gè)8.3mH線圈電感創(chuàng)建一個(gè)電感對(duì)，通過它們的磁芯加上其間的空間實(shí)現(xiàn)耦合。
圖8.兩個(gè)獨(dú)立電感的組合及其配置圖示：(A)差模連接，(B)PCB上，(C)差模信號(hào)通過時(shí)的磁場(chǎng)
規(guī)則1：兩個(gè)電感應(yīng)盡可能相互靠近放置，以減少磁通泄漏。
當(dāng)兩個(gè)電感“耦合”時(shí)，電感對(duì)的總電感大于L1 + L2（L1和L2的串聯(lián)組合）?？傠姼蠰TOTAL = L1 + L2 + 2M，其中M是L1和L2磁耦合所產(chǎn)生的互感?；ジ蠱 = k x √(L1xL2)，其中k是介于0和1之間的耦合系數(shù)。k=1表示磁通漏泄為零，L1和L2之間100%磁耦合。圖8(C)中的紅線表示兩個(gè)電感之間的磁耦合；兩個(gè)電感位置越近，耦合越理想，泄漏越小，因此互感M越大。
耦合系數(shù)k = 1時(shí)，如圖8(A)所示配置的兩個(gè)8.3mH電感的最終差模電感為L(zhǎng)1 + L2 + 2k x √(L1 x L2) = 33.2mH。實(shí)際上，耦合系數(shù)k始終小于1。當(dāng)這兩個(gè)電感相距1mm時(shí)，測(cè)得的差模電感為25.8mH。電感減小是由磁通泄漏造成的?；ジ蠱 = 0.5 x (25.8mH - 8.3mH x 2) = 4.6mH，表明耦合系數(shù)k = M/√(L1 x L2) = 4.6mH/8.3mH = 0.55。
當(dāng)這兩個(gè)電感相距1cm時(shí)，最終差模電感進(jìn)一步減小，實(shí)測(cè)值為19.3mH。耦合系數(shù)降至0.33。
當(dāng)這兩個(gè)電感相距10cm時(shí)，測(cè)得的差模電感為16.6mH，與兩個(gè)獨(dú)立電感串聯(lián)連接且無任何磁耦合的情況相同。這意味著磁耦合太弱，無法產(chǎn)生任何有意義的互感。
規(guī)則2：以差模配置將其配對(duì)。放置兩個(gè)單獨(dú)電感，使得在差模信號(hào)通過時(shí)，磁通沿相同方向產(chǎn)生。
當(dāng)耦合對(duì)采用共模配置時(shí)，兩個(gè)電感的磁通在差模信號(hào)通過時(shí)，沿相同方向產(chǎn)生并相互抵消，如圖9所示。總電感LTOTAL減小，小于L1和L2的串聯(lián)組合。
圖9.(A)共模連接，(B)PCB上，(C)差模信號(hào)通過時(shí)的磁場(chǎng)
當(dāng)兩個(gè)電感采用差模配置（如圖8(B)所示）且相距1cm時(shí)，測(cè)得的差模電感為20.3mH，大于兩個(gè)獨(dú)立電感的串聯(lián)組合16.6mH。磁通相加，使得最終耦合電感更大。
當(dāng)兩個(gè)電感采用共模配置（如圖9(B)所示）且相距1cm時(shí)，測(cè)得的差模電感為14.7mH，小于16.6mH。磁通相互抵消，使得最終耦合的差模電感減小。
在圖10和圖11中，兩個(gè)Home Bus節(jié)點(diǎn)以50kbps的速率進(jìn)行通信，使用兩個(gè)獨(dú)立電感創(chuàng)建“交流阻斷”電感對(duì)。從表2可知，在50kbps數(shù)據(jù)速率下，所需的總線總電感為0.8mH。圖10顯示，當(dāng)使用兩個(gè)390μH電感來實(shí)現(xiàn)780μH的總電感（小于所需的最小總線電感）時(shí)，接收器波形發(fā)生失真。電感對(duì)負(fù)載200mA電流，這進(jìn)一步降低了總線上的總有效電感。圖11顯示，當(dāng)電感對(duì)由兩個(gè)3.9mH電感構(gòu)成以實(shí)現(xiàn)大于所需最小值的總線電感時(shí)，相同工作條件下的總線波形干凈無失真。
圖10.50kbps總線波形，使用兩個(gè)390μH獨(dú)立電感作為“交流阻斷”電感對(duì)
圖11.50kbps總線波形，使用兩個(gè)3.9mH獨(dú)立電感作為“交流阻斷”電感對(duì)
使用變壓器
電力變壓器用于在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間升壓或降壓。在Home Bus應(yīng)用中使用變壓器時(shí)，應(yīng)注意以下要求：
確保匝數(shù)比為1:1。大多數(shù)變壓器的匝數(shù)比通常不是1:1。初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)通常具有不同的交流電壓。
測(cè)量差模電感，因?yàn)閿?shù)據(jù)手冊(cè)中往往不會(huì)給出線圈電感。
變壓器通常尺寸龐大，需要占據(jù)巨大的空間。
使用共模扼流圈
共模扼流圈用于濾除共模噪聲。大多數(shù)共模扼流圈不適合Home Bus應(yīng)用，原因如下：
●差模電感比共模電感小得多。
●共模扼流圈的額定電流相對(duì)較小，其典型工作頻率通常遠(yuǎn)高于Home Bus應(yīng)用使用的數(shù)據(jù)速率。
測(cè)量差模電感
大多數(shù)電感的數(shù)據(jù)手冊(cè)未提供Home Bus應(yīng)用所用數(shù)據(jù)速率和偏置電流條件下的差模電感信息。通常，鑒定所選電感對(duì)的最簡(jiǎn)單方法是使用LCR表測(cè)定其特性。在應(yīng)用的數(shù)據(jù)速率和偏置電流下測(cè)量差模電感和相位時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
●理想電感具有+90°相位，意味著其電流落后于其電壓90°。
●當(dāng)電感磁芯飽和時(shí)，電感值會(huì)迅速下降。數(shù)據(jù)手冊(cè)中有時(shí)會(huì)給出滾降率。
●每個(gè)電感都有一個(gè)自諧振頻率，該值通常隨直流偏置電流而變化。
使用LCR表是標(biāo)定所選電感的最簡(jiǎn)單方法。圖12顯示了使用LCR表測(cè)量差模電感的典型設(shè)置。表3展示了在實(shí)驗(yàn)室中使用Instek LCR-6300儀表進(jìn)行測(cè)量的四個(gè)例子，并列出了它們?cè)?00kbps數(shù)據(jù)速率和200mA負(fù)載電流的Home Bus應(yīng)用中的性能。
圖12.使用LCR表測(cè)量差模電感
表3.使用LCR表進(jìn)行特性分析和波形測(cè)量
根據(jù)表2，200kbps條件下所需的總線最小總電感為200μH。Wurth共模電力線扼流圈（產(chǎn)品型號(hào)7446323004）無法提供所需的最小差模電感，因此總線波形發(fā)生失真。
設(shè)計(jì)示例
示例1：57.6kbps的雙節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)
考慮一個(gè)以57.6kbps數(shù)據(jù)速率運(yùn)行的雙節(jié)點(diǎn)Home Bus網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。圖13為簡(jiǎn)化的等效模型。供電節(jié)點(diǎn)通過“交流阻斷”電感L1向總線供應(yīng)100mA電流，而MAX22088通過其集成的“有源電感”從總線獲取電力。在此示例中，元件針對(duì)57.6kbps數(shù)據(jù)速率進(jìn)行了優(yōu)化，選擇Wurth Electronics, Inc. 的100mH耦合電感（產(chǎn)品型號(hào)750318652）作為“交流阻斷”電感L1。
圖13.雙節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)等效模型
為了確定此耦合電感能否用于該應(yīng)用，計(jì)算總線上的總阻抗ZBUS = ZL1 || (ZC1+ RIO1) || (ZC1 + RIO1) || ZLAC || (ZC2 + REQV + ZC2)，其中：
L1 = 138mH（20kHz、100mA偏置電流條件下，來自基準(zhǔn)特性測(cè)試）
LAC = 22.4mH（使用MAX22088數(shù)據(jù)手冊(cè)中的公式）
靜態(tài)端接電阻RTRM2 = 1kΩ
MAX22288 AIO/BIO輸入阻抗RIO1 = 30kΩ（典型值）
MAX22088 AIO/BIO輸入阻抗RIO2 = 10kΩ（典型值）
REQV = 952Ω，由下式得出：1/REQV = 1/(2 x RIO2) + 1/RTRM2
耦合電容 = 2.2μF
數(shù)據(jù)速率 = 57.6kbps，或f0 = 28.8kHz
所以，
ZL1 = 2π x f0 x L1 = 25kΩ
ZLAC = 2π x f0 x LAC = 4kΩ
ZC1 = ZC2 = 1/(2π x f0 x 2.2μF) = 2.5Ω
ZC1 + RIO1 = 30kΩ
ZC2 + REQV + ZC2 = 957Ω
因此，ZBUS = ZL1 || (ZC1+RIO1) || (ZC1 + RIO1) || ZLAC || (ZC2 + REQV + ZC2) = 25kΩ || 30kΩ || 30kΩ|| 4kΩ || 957Ω = 713Ω，大于所需的最小總線端接電阻100Ω。
MAX22088和MAX22888評(píng)估套件均使用了該Wurth耦合電感，它支持57.6kbps的Home Bus應(yīng)用。
示例2：200kbps的8節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)
在此示例中，考慮一個(gè)以200kbps速率運(yùn)行的8節(jié)點(diǎn)Home Bus系統(tǒng)，如圖14所示。L1是供電節(jié)點(diǎn)中的“交流阻斷”電感，為總線提供總計(jì)250mA的電流。我們需要確定是否能夠使用Wurth Electronics, Inc.的耦合電感（產(chǎn)品型號(hào)744851102）。
圖14.簡(jiǎn)化的8節(jié)點(diǎn)Home Bus系統(tǒng)
總線上的總阻抗ZBUS = ZNODE1 || ZNODE2 || ZNODE3 || ZNODE4 || ZNODE5 ||ZNODE6 || ZNODE7 || ZNODE8，其中：
ZNODE1是節(jié)點(diǎn)1（供電節(jié)點(diǎn)）的總阻抗。
ZNODE2至ZNODE6是節(jié)點(diǎn)2至6（純數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)）的總阻抗。
ZNODE7和ZNODE8是節(jié)點(diǎn)7和8（受電節(jié)點(diǎn)）的總阻抗。
圖15.(A)節(jié)點(diǎn)1（供電節(jié)點(diǎn)）、(B)節(jié)點(diǎn)2至6（純數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)）和(C)節(jié)點(diǎn)7至8（受電節(jié)點(diǎn)）的等效電路
考慮供電節(jié)點(diǎn)及其等效電路，如圖15(A)所示，ZNODE1 = ZL1 || (ZC1 + REQV1 + ZC1)，其中：
L1 = 358μH（100kHz、250mA偏置電流條件下，來自基準(zhǔn)特性測(cè)試）
靜態(tài)端接電阻RTRM1 = 1kΩ
MAX22288 AIO/BIO輸入阻抗RIO1 = 30kΩ（典型值）
REQV1 = 983.6Ω，由下式得出：1/REQV1 = 1/(2*RIO1) + 1/RTRM1
耦合電容 = 1μF
數(shù)據(jù)速率 = 200kbps，或f0 = 100kHz
所以，
ZL1 = 2π x f0 x L1 = 225Ω
ZC1 = 1/(2π x f0 x 1μF) = 1.6Ω
ZC1 + REQV1 + ZC1 = 987Ω
因此，ZNODE1 = 225Ω || 987Ω = 183Ω。
考慮純數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)及其等效電路，如圖15(B)所示，ZNODE2-6 = (ZC1 + RIO1) || (ZC1 + RIO1)，其中：
MAX22288 AIO/BIO輸入阻抗RIO1 = 30kΩ（典型值）
ZC1 = 1/(2π x f0 x 1μF) = 1.6Ω
因此，ZNODE2-6 = (30kΩ + 1.6Ω) || (30kΩ + 1.6Ω) = 15kΩ。
考慮受電節(jié)點(diǎn)及其等效電路，如圖15(C)所示，ZNODE7-8 = ZLAC || (ZC2 + RIO2) || (ZC2 + RIO2)，其中：
LAC7 = 35mH（50mA負(fù)載電流下，使用MAX22088數(shù)據(jù)手冊(cè)中的公式）
LAC8 = 16mH（200mA負(fù)載電流下，使用MAX22088數(shù)據(jù)手冊(cè)中的公式）
MAX22088 AIO/BIO輸入阻抗RIO1 = 10kΩ（典型值）
所以，
ZLAC7 = 2π x f0 x LAC7 = 22kΩ
ZLAC8 = 2π x f0 x LAC8 = 10kΩ
ZC2 = 1/(2π x f0 x 1μF) = 1.6Ω
因此，ZNODE7 = 22kΩ || (10kΩ + 1.6Ω) || (10kΩ + 1.6Ω) = 4kΩ，ZNODE8 = 10kΩ || (10kΩ + 1.6Ω) || (10kΩ + 1.6Ω) = 3.3kΩ。
總線上的總阻抗ZBUS = ZNODE1 || ZNODE2 || ZNODE3 || ZNODE4 || ZNODE5 || ZNODE6 || ZNODE7 || ZNODE8 = 183Ω || (15kΩ / 5) || 4kΩ || 3.3kΩ = 157Ω，大于所需的最小總線端接電阻100Ω。圖16顯示了節(jié)點(diǎn)1（供電節(jié)點(diǎn)）處的總線波形。
圖16.節(jié)點(diǎn)1（供電節(jié)點(diǎn)）處的總線波形
結(jié)語
本應(yīng)用筆記闡述了為Home Bus系統(tǒng)選擇合適“交流阻斷”電感的標(biāo)準(zhǔn)。建議使用“耦合電感”或配置為“電感對(duì)”的兩個(gè)獨(dú)立電感。務(wù)必根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件，采用本應(yīng)用筆記中討論的標(biāo)準(zhǔn)和方法，在試驗(yàn)臺(tái)上確定所選的“交流阻斷”電感是否合格。
本應(yīng)用筆記還提供了示例和基準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果，以幫助讀者為Home Bus應(yīng)用選擇合適的電感。
參考文獻(xiàn)
MAX22088數(shù)據(jù)手冊(cè)和MAX22088評(píng)估套件
MAX22288數(shù)據(jù)手冊(cè)和MAX22288評(píng)估套件
Home Bus簡(jiǎn)介，Home Bus簡(jiǎn)介 | ADI公司
電感供應(yīng)商：
? Wurth Electronics, Inc.，www.we-online.com
? Sumida Corporation，https://www.sumida.com
?2024 Analog Devices, Inc.保留所有權(quán)利。所有商標(biāo)和注冊(cè)商標(biāo)均屬各自所有人所有。One Analog Way, Wilmington, MA 01887-2356, U.S.A.
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