OPA521窄带电力线通信线路驱动器

特征

•支持：

–CENELEC A、B、C、D波段

–ARIB STD-T84，FCC

–FSK、SFSK和NB-OFDM

•符合：

–EN50065-1、-2、-3、-7

–FCC，第15部分

–ARIB STD-T84

•标准：

–G3，PRIME，P1901.2，ITU-G.hnem

•带热保护和过流保护的集成电源线驱动器

•引脚可选静态电流消耗：

–待机模式下为40μA（典型）

–51 mA，适用于CENELEC A、B、C、D波段（典型）

–78 mA，适用于FCC、ARIB STD-T84、FCC（典型）

•包装：5 mm×5 mm 20针VQFN

•扩展工作温度范围：

TA=–40°C至+125°C

应用

• eMetering

•家庭区域网络

•照明应用

•太阳能应用

•导电线和电动车辆供电设备

说明

OPA521是一种电力线通信（PLC）线路驱动器，满足CENELEC a、B、C和D波段以及ARIB STD-T84和FCC第15部分中的传导发射要求。该装置用于驱动高达1.9A的高电流、低阻抗线路进入无功负载。随着优化的内部保护结构，OPA521需要最小的外部保护组件，以实现最小的系统解决方案成本。

OPA521的闭环增益为7，带宽为3.8MHz。单片机在电力线通信应用中具有很高的可靠性。

OPA521发射功率放大器从7 V到24 V的单电源工作。在典型的负载电流（IOUT=1.9 APEAK）下，宽输出摆幅使标称24 V电源具有10-VPP能力。

装置内部有过热和短路保护。故障检测标志指示电流和热极限。关闭引脚可用，并将设备置于低功耗状态，消耗40μA（典型）。

OPA521有表面安装，5 mm×5 mm QFN，20针封装（RGW）。规定在扩展的工业连接温度范围-40°C至+125°C范围内运行。

设备信息

（1）、有关所有可用的软件包，请参阅数据表末尾的订购附录。

详细说明

概述

OPA521是一种为电力线通信（PLC）应用而设计的功率放大器。该器件具有-7v/V的固定增益，低通滤波器响应，良好的线性度和通过带宽的低失真。放大器使用7-V至24-V电源工作，可在-40°C至+125°C范围内提供高达±1.9 A的连续电流。

功能框图

特性描述

OPA521提供可选的输出电流限制（ILIM）、静态电流（IQSET）选择引脚和设备启用引脚。IFLAG输出警报引脚指示输出电流警告，当设备内部温度迫使设备关闭时，TFLAG警报触发。

IQSET引脚

该引脚通过调整静态电流来设置放大器的工作频带。

•IQSET>2 V将设备设置为在FCC或ARIB波段工作

•IQSET<0.8 V设置设备在CENELEC波段工作

EN引脚

当变送器不使用时，当EN引脚减少时，输出被禁用并处于高阻抗状态。对于典型操作，将EN引脚连接至3.3 V。在禁用模式下，整个设备会消耗40μA（典型）电流。

ILIM引脚限流

ILIM引脚（引脚12）提供电阻可编程输出电流限制。方程式1确定连接到该引脚的外部RSET电阻值。

式中：

•RSET=连接在针脚26和接地之间的外部电阻器的值，

•以及

•Ilim=所需电流限制值。

公式1给出的Ilim值有30%的公差。

IFLAG和TFLAG引脚

IFLAG和TFLAG引脚为高电平、开漏极输出，指示OPA521是否处于电流或热极限。将这些电阻（例如，10Ω到3Ω）连接在一起。

功率放大器的最大输出电流通过连接在ILIM（针脚12）和接地之间的外部ILIM电阻器进行编程。如果发生故障，如果放大器进入电流限制状态，则设置IFLAG。这会导致功率放大器产生或吸收的电流大于编程的极限值。IFLAG在典型操作下表现出瞬态脉冲。IFLAG真实状态超过100毫秒是故障电流状态的明确指示。

该装置包含内部热关机保护电路，当结温超过165°C时，该电路可自动关闭输出级。只有当结温降至150°C以下时，装置热关机保护电路才允许放大器正常工作。当装置处于热关机模式。

设备功能模式

OPA521从一个电源轨从7 V工作到24 V。增益设置为–7 V/V，并且可以通过连接到增益设置和–IN引脚的外部电阻器来增加。

应用与实施

注意：以下应用章节中的信息不是TI组件规范的一部分，TI不保证其准确性或完整性。TI的客户负责确定组件的适用性。客户应验证和测试其设计实现，以确认系统功能。

申请信息

OPA521是一个集成的电力线通信功率放大器，它通过线路耦合电路将PLC数据传输到电力线上。

典型应用

典型应用的示意图如图1所示。

设计要求

对于典型的电力线应用，请使用以下参数：

例子：

对于使用具有2Ω负载和1-Vrms负载电压的OFDM信号的PRIME或G3：

P电源=VLOAD×OFDM乘法器×匝数比+（2×VSWING）

P电源=6 V×1.5×1.5+（2×2 V）

P电源=17.5 V

详细设计程序

系统示例

功率放大器模块

该功率放大器通过线路耦合电路将数据传输到电源线上。功率放大器由高转换率、高电压、大电流运算放大器组成。该放大器的逆变增益为7v/V，在整个带宽内保持良好的线性和低失真。放大器的工作电压为7 V至24 V，在规定的结温范围-40°C至+125°C范围内，可提供高达±1.9 A的连续输出电流。在典型的电力线通信（PLC）应用中连接放大器需要一些附加组件。图2显示了与放大器的典型连接。

+连接

+IN引脚为静态输出电压提供正确的半电源偏置。+IN引脚始终连接到等于（V+）/2的直流偏压。

-连接

外部电容器（CIN）在传递函数中引入了单极高通特性。由于放大器固有的低通传递函数，CIN和放大器组合具有带通响应。高通截止频率的值由CIN决定，CIN与放大器电路的输入电阻发生反应。公式2计算该值：

式中：

•CIN=外部输入电容器和

•fHP=所需高通截止频率。

例如，将CIN设置为3.3 nF会导致2.9 kHz的高通截止频率。必须确定CIN的额定电压，以承受高达PA电源电压的操作。

CIN设置单位直流增益。这会使放大器的直流输出偏移到与+IN相同的电平，该电平必须始终连接到电源电压（V+）一半的无噪声低阻抗电源。

线路耦合电路

线路耦合电路是电力线调制解调器中最关键的电路之一。线路耦合电路阻止电源的低频信号（通常为50赫兹或60赫兹）损坏低压调制解调器电路，并将调制解调器信号与交流电源连接。图3显示了一个典型的线路耦合电路。

电路保护

电力线通信通常位于对连接到交流线路的电气部件来说非常恶劣的工作环境中。如果没有提供适当的保护，来自电气异常（如闪电、电容器组切换、感应开关或其他电网故障条件）的噪声或浪涌会损坏高性能集成电路。通过使用各种技术来保护设备，功率放大器可以在最恶劣的条件下生存。

布置保护电路，采用金属氧化物压敏电阻器（MOV）、瞬态电压抑制二极管（TVS）、肖特基二极管和齐纳二极管，尽可能多地消除电气干扰。这些元件在异常情况到达设备之前消除了电干扰。图4显示了推荐的瞬态过电压保护策略。

高压耦合电容器必须能够承受MOV提供的钳位保护的脉冲。一个金属化聚丙烯电容器（例如伊利诺伊州的474MkPa275kA电容器™) 额定电压为50赫兹至60赫兹，250伏交流电压至310伏交流电压，可承受24次2.5千伏的脉冲。

表2和表3列出了几种推荐的瞬态保护元件。

（1）、在超出正常电源工作范围的最低可用额定值下选择齐纳击穿电压。例如，1SMB5931B设计用于功率因数VS=15V的系统，而1SMB5934B设计用于功率因数VS=20V的系统。

（2）、选择TVS击穿电压为或略低于（0.5×PA_VS）。例如，SMCJ6.0CA是为PA_VS=15 V的系统设计的，而SMCJ8.0CA是为PA_VS=20 V的系统设计的。

（3）、高压电容器的一个常见值是470nF。可根据应用要求替换其他值。在进行替代时，必须从同一系列或同等系列的电容器中选择电容器，其额定值应能承受电源线上的高压浪涌，以确保可靠性。

（1）、在超出正常电源工作范围的最低可用额定值下选择齐纳击穿电压。例如，1SMB5931B设计用于功率因数VS=15V的系统，而1SMB5934B设计用于功率因数VS=20V的系统。

（2）、选择TVS击穿电压为或略低于（0.5×PA_VS）。例如，SMCJ6.0CA是为PA_VS=15 V的系统设计的，而SMCJ8.0CA是为PA_VS=20 V的系统设计的。

（3）、高压电容器的一个常见值是470nF。可根据应用要求替换其他值。在进行替代时，必须从同一系列或同等系列的电容器中选择电容器，其额定值应能承受电源线上的高压浪涌，以确保可靠性。

电源建议

提供两个电源引脚和两个接地引脚，为与驱动交流电源低阻抗相关的高电流提供路径。TI建议将两个电源引脚连接在一起。建议将47-μF至100-μF旁路电容器与100 nF电容器并联，尽可能靠近装置。布线PCB上的高电流接地线时要小心，以避免PCB接地中的电压降可能随负载电流的变化而变化。

布局

布局指南

热注意事项

在典型的电力线通信应用中，当向低阻抗交流线路传输时，该设备消耗2W的功率。这种功耗会增加结温，如果PCB的热设计没有得到正确的实现，会导致热过载，从而导致信号传输中断。为了确保适当的设备温度，最大限度地提高性能，延长设备的使用寿命，需要对设备的热流进行适当的管理，以及良好的PCB设计和结构。

该装置组装在一个5-mm×5-mm，QFN-20封装中。这种QFN封装在底部有一个大的裸露的热垫，它将热量从设备传导到底层PCB。

一些热量通过塑料包装材料从硅片表面传导到周围环境中。然而，这条路径并不是热流的主要热路径，因为塑料是一种相对较差的导热体。热量流过硅芯片表面，通过导线连接到封装引线，到达PCB顶层。虽然这些热流路径很重要，但大部分（近80%）的热量向下流经硅芯片，流向导热芯片，附着在环氧树脂上，并附着在封装底部的外露热垫上（如图5所示）。最大限度地减少这种向下路径到周围环境的热阻，使设备的寿命和性能最大化。

外露的热焊盘必须焊接到PCB热焊盘上。PCB上的热垫必须与QFN封装下面的外露热垫尺寸相同。请参阅QFN/sonpcbtachment，以获取将热垫连接到PCB的建议。图6显示了从设备到PCB的热扩散方向。

如果热路径是不间断的，那么热传播到PCB的最大化。如果热扩散表面尽可能用铜填充，则可获得最佳效果，从而使每层覆盖的面积百分比达到最大。例如，一个热稳定的多层PCB设计由四层组成，顶层的铜（Cu）覆盖率为60%，内层为85%和90%，底层为95%。

增加PCB的层数、使用更厚的铜以及增加PCB的面积都是改善热传播的因素。图7到图9显示了热阻性能作为这些因素的函数。

布局示例