电力载波（Power Line Communication, PLC）通信模块及终端电路设计是一个系统工程，涉及信号的耦合、调理、调制/解调、保护以及电源管理等。以下为关键设计步骤和要点：

一、系统架构

┌─────────┐       ┌─────────────┐       ┌──────────┐
│ 主处理器 │──数据──│ PLC调制解调芯片 │──信号──│耦合电路 │──┬─▶ 电力线
│ (MCU/CPU)│       └─────────────┘       └──────────┘  │
└─────────┘                                  │
                                              │
┌───────────────────电源管理───────▶ 电源电路 │
└──────────────────────────────────────┘

二、核心模块设计详解

1. PLC调制解调芯片选型

• 类型选择：

  • 窄带PLC：适用于低速场景（如智能电表），常用芯片：
  • TI： BQPLC（如TMS320F280x）
  • ST： ST7590, ST7580（G3-PLC）
  • Renesas： R9A06Gxxx（用于G3-PLC/PRIME）
  • 宽带PLC：高速应用（如家庭网络），芯片如：
  • Qualcomm： QCA7000（HomePlug AV）
  • MaxLinear： INT6400/INT1400（G.hn）

• 关键参数：

  • 频段：符合区域规范（如CENELEC-A: 3-95kHz，FCC: 10-490kHz）
  • 协议支持：G3-PLC, PRIME, IEEE 1901.1等
  • 接口：SPI/UART与主控通信

2. 信号耦合电路设计

• 高压电容耦合方案（常用）：

  graph LR
  PLC_Chip_TX -->|AC信号| C_coupling[高压电容] --> L[滤波电感] --> L1[线路滤波器] --> 电力线
  电力线 --> L1 --> L --> C_coupling --> PLC_Chip_RX

• 元件选型：

  • 电容C：X2安规电容（100nF~470nF），耐压≥275VAC
  • 电感L：共模扼流圈（1-10mH），抑制高频干扰
  • 瞬态抑制：TVS二极管（如P6KE440CA），防浪涌

3. 前端模拟信号调理

• 发送通道（TX）：

  PLC芯片输出 → 低通滤波器（切除非线性谐波） → 功率放大器（PA） → 耦合电路

  • PA设计：需匹配阻抗（典型1-10Ω），输出电平<114dBμV（避免干扰）

• 接收通道（RX）：

  耦合电路 → 高通/带通滤波器（滤除50/60Hz工频） → 可编程增益放大器（PGA） → ADC（在PLC芯片内）

  • PGA要求：动态范围>60dB，适应信号衰减（电力线衰减可达30dB/km）

4. 电源电路设计

• 开关电源拓扑：
  • Buck转换器：从高压直流生成5V/3.3V（如LM5017）
  • 隔离方案：
  • 变压器隔离：通过反激式电源（如TI UCC28xxx系列）
  • 电容隔离：使用隔离型DC-DC模块（效率>85%）

5. 保护电路设计

• 三级保护：
  1. Gas Discharge Tube (GDT)：泄放千伏级浪涌
  2. Varistor (MOV)：吸收中压过流（如14D471K）
  3. TVS Diode：应对纳秒级ESD（如SMBJ36CA）

6. 阻抗匹配网络

• 通过π型或T型网络调整PA输出阻抗：

  PA_OUT ──[L_match]──┬──[C_match]─── GND
                    └───▶ 耦合电路

  • 工具：Smith Chart辅助计算，目标阻抗≈1-10Ω

7. PCB布局要点

• 分区布线：
  • 高压区（耦合电路）与低压区（PLC芯片）间距>8mm
  • 模拟信号（RX/TX）远离数字线（如SPI）
• 接地策略：
  • 采用星型接地（Star Grounding）
  • PLC芯片AGND与DGND通过0Ω电阻连接

三、验证与调试

1. 传导骚扰测试：EN 50065-1（辐射<−80dBm）
2. 阻抗特性测试：使用VNA扫描2kHz-30MHz（匹配点设计）
3. 现场测试：在不同负载条件（电机/开关电源）下验证误码率（BER<10⁻⁵）

四、参考设计

• TI Designs：TIDM-1028（G3-PLC电表参考）
• STMicro：STEVAL-PLM3V1（Prime协议评估板）

注意：实际设计需符合IEC 61334、IEEE 1901.1等规范，强烈建议先采用评估板验证信道特性。高压部分设计须严格遵守安规距离（如4mm爬电距离/220VAC）。

通过模块化设计（耦合+调制解调+保护）、精确匹配阻抗及多层PCB隔离，可构建稳定工作的PLC通信节点。最终性能需结合实际电力线特性（阻抗波动、噪声源）优化调整。