Front-end analogico per sistemi Powerline

Analizziamo in questo articolo caratteristiche e prestazioni dell’AFE031 di TI.

Powerline Communication (PLC) è una tecnologia recente per la trasmissione delle informazioni su una infrastruttura di rete per la distribuzione della potenza elettrica. I dati sono trasferiti modulando un opportuno segnale portante, di frequenza variabile a seconda dell’applicazione da decine di kHz fino a oltre 1 MHz; la capacità di trasmissione può arrivare fino a 500 Mbps negli standard più recenti. La tecnologia sta avendo rapida diffusione negli ambienti domestici, dove consente di connettere in rete dispositivi multimediali ad elevata risoluzione pur non disponendo di una rete LAN Ethernet, o in quelli industriali, dove rappresenta un approccio cost-effective per la realizzazione di una rete di controllo e monitoraggio. Tutti i principali vendor di dispositivi microelettronici supportano, per questo, oggi, soluzioni per la realizzazione di apparati per comunicazione Powerline. Lo sviluppo di tali apparati non è in effetti affare senza complicazioni, considerato che le reti elettriche sono piuttosto rumorose.

UN ESEMPIO DI MODEM POWERLINE

La Figura 1 mostra uno schema di principio di un modem per connessione Powerline. A grandi linee, il sistema consiste di un front-end analogico (con trasformatore di accoppiamento alla rete elettrica) che implementa la parte di filtro e controllo di guadagno per il segnale di uscita e di filtro e conversione D/A per il segnale trasmesso. Un processore dedicato genera la forma d’onda digitale modulata per la trasmissione e converte in digitale il segnale in ingresso per la parte di ricezione. Implementa, quindi, le funzioni di modulazione e demodulazione per la codifica e decodifica delle informazioni digitali. Le interfacce digitali di ingresso/uscite sono infine isolate digitalmente mediante opportuni circuiti per la connessione alle porte esterne (LAN, USB o simili) verso i dispositivi utilizzatori. L’alimentazione dei circuiti è derivata direttamente dalla linea di rete mediante convertitore AC/DC isolato e regolatori locali per la generazione delle basse tensioni. Come detto, la quasi totalità dei dispositivi presenti nello schema sono disponibili come soluzioni off-the shelf presso i tradizionali produttori di componenti elettronici. Di seguito, in particolare, vogliamo soffermarci sull'AFE031 di Texas Instruments che implementa la parte di front-end analogico.

Figura 1. Schema a blocchi di un model Powerline

Figura 1. Schema a blocchi di un modem Powerline

CARATTERISTICHE GENERALI DELL'AFE031

Il dispositivo è una soluzione monolitica a basso costo per connessioni Powerline. Supporta accoppiamento alla rete di tipo capacitivo o mediante trasformatore; il circuito di ricezione è in grado di rilevare segnale di ampiezza fino a 20 μVRMS con diverse opzioni di configurazione di guadagno, mentre la capacità di pilotaggio sulla linea di uscita è fino a 1,5 A (per impiego su linee ad elevata reattanza). L'AFE031 richiede una tensione di alimentazione nell’intervallo tra 7 e 24 V per l’amplificatore di potenza di uscita, mentre i circuiti digitali ed analogici per l’elaborazione del segnale operano con tensione standard di 3.3 V. Il dispositivo è internamente protetto da sovratensione e cortocircuito e dispone di circuito di limitazione della corrente di uscita. L’interfaccia di controllo è di tipo SPI, la temperatura operativa di giunzione in linea con i requisiti delle applicazioni industriali (quindi compresa tra -40° e +125°) mentre il package è di tipo QFN a 48 pin con pad termico, in grado di dissipare fino a 2 W (come nelle normali condizioni di funzionamento in accoppiamento con linea di rete a bassa impedenza).

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'AFE031

La Figura 2 mostra uno schema di relativo dettaglio dell’architettura interna dell'AFE031. Le sezioni principali sono l’amplificatore di potenza (PA), il circuito di trasmissione (Tx) e quello di ricezione (Rx), oltre ai moduli di Zero Crossing Detection (ZCD), all’interfaccia SPI di controllo e configurazione e ai circuiti di riferimento di tensione e power-saving interni.

Figura 2. Schema a blocchi del AFE031

Figura 2. Schema a blocchi dell'AFE031

Molti dei segnali di ingresso/uscita dei diversi moduli sono resi disponibili direttamente come pin del componente piuttosto che connessi internamente, così da consentire la massima flessibilità nella realizzazione della propria applicazione. La Figura 3 mostra uno schema di riferimento per una tipica applicazione su rete a 110 VAC o 220 VAC e comunicazione su singola fase.

Figura 3.

L’amplificatore di potenza di uscita PA, in particolare, è un amplificatore operazionale ad elevato slew rate, eccellente linearità e bassa distorsione, caratterizzato da capacità di corrente di uscita fino a 1.5 A e risposta in frequenza di tipo passa-basso. Il corretto funzionamento del circuito richiede due soli componenti esterni, un condensatore sull’ingresso ed un resistore di limitazione della corrente. Il condensatore sull’ingresso introduce un singolo polo con caratteristica passa-alto che, unitamente alla natura di filtro passa basso intrinseca dell’amplificatore, contribuisce a determinare una risposta in frequenza di tipo passa-banda dell’intero circuito. Il circuito di trasmissione Tx, invece, include a sua volta un modulo PGA ed un filtro di uscita.

Supporta il funzionamento in modalità PWM o mediante convertitore DAC a 10-bit integrato; in questo caso i valori digitali sono configurabili mediante l’interfaccia di controllo host di tipo SPI dell'AFE031. Nella modalità DAC non sono richiesti componenti esterni accessori per il corretto funzionamento del circuito; la suddetta modalità è suggerita per applicazioni a più elevate prestazioni in quanto minimizza la distorsione del segnale iniettato sulla linea di rete primaria. In modalità PWM (tipicamente utilizzata in connessione ad una porta GPIO del processore host) è invece richiesto un filtro RC passivo esterno per migliorare la risposta alle basse frequenze. Il PGA è uno stadio di amplificazione a guadagno programmabile mentre il filtro di uscita è un filtro del quarto ordine con frequenza di taglio configurabile (a seconda della modalità selezionata) e guadagno unitario. Simili sono le caratteristiche dei due stadi PGA e del filtro presenti nel circuito di ricezione Rx.

In più, tuttavia, il suo primo stadio di amplificazione (PGA1) è in grado di operare anche come attenuatore, in quelle applicazioni dove sia necessario compensare la presenza di segnali di interferenza di elevata ampiezza, che comporterebbero altrimenti saturazione nella successiva catena di acquisizione (ovviamente ciò richiede che tale rumore sia successivamente filtrato in digitale dal controller host). L’ingresso del modulo Rx può essere accoppiato, come detto, capacitivamente o mediante trasformatore alla linea primaria; in molte applicazioni è consigliabile prevedere un ulteriore stadio di filtro esterno, di tipo passa-basso del quarto ordine. I circuiti Tx ed Rx possono essere direttamente connessi internamente per scopi di calibrazione. L'AFE031 supporta le tre diverse modalità Tx Calibration, Rx Calibration e PGA Calibration. E’ necessario calibrare il sistema una sola volta sull’intero arco di vita del dispositivo, supposto che i dati di calibrazione, memorizzati internamente, non siano accidentalmente cancellati; tali dati sono validi sull’intero intervallo di temperatura di funzionamento dell'AFE031.

Le tensioni accessorie necessarie per il corretto funzionamento dei circuiti Rx e Tx sono generate da due riferimenti di tensione interni; come per gli altri segnali, tali tensioni sono portate su pin del componente, per consentire l’aggiunta di eventuali reti esterne di filtro e riduzione di rumore. Due circuiti di Zero Crossing Detection semplificano la sincronizzazione della comunicazione alla linea AC; un solo circuito è necessario nelle applicazioni a singola fase, mentre entrambi sono usati nei sistemi trifase per determinarne due delle tre (la terza potendosi infatti inferire dalle altre due). Come anticipato in precedenza, l’interfaccia di controllo dell'AFE031 è di tipo SPI. Il frame SPI include il bit di controllo della modalità di accesso read/write, il campo indirizzo a 6-bit per la selezione del registro e la parola dati a 8 bit. I dati sono serializzati in uscita sul fronte di discesa del clock mentre sono acquisiti in ingresso su quello di salita.

UN KIT DI SVILUPPO PER MODEM POWERLINE

L'AFE031 è lo stadio di front-end analogico incluso nel kit di sviluppo C2000 Powerline Model Developer’s Kit (vedi Figura 4) di Texas Instruments basato su microcontrollore C2000 ed ideale per la realizzazione di modem software-based per connettività Powerline. Oltre alla piattaforma hardware il kit include, infatti, anche una suite software che supporta alcune tra le più diffuse tecniche di modulazione, come l’OFDM e l'SFSK.

Figura 4.Il Powerline Model Developer’s Kit di TI basato su AFE031

Figura 4. Il Powerline Model Developer’s Kit di TI basato su AFE031

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