3. 전력선통신 커플링 회로 - 커플링 주변회로

앞선 포스팅에서 설명한 기초 커플링회로에서 실제로 사용하기 위해서는 몇 가지의 요소를 더 추가해야 합니다. 아래 그림은 AC 커플링 capacitor(C102)를 추가하여 Inductor가 송신 Amplifier의 DC bias voltage가 쇼트되는것을 방지하게 됩니다.

Simplified Coupling Circuit with DC Blocking Capacitor

 

 

첫 포스트에서 본 감쇠 모델에 따르면, 한가지 매우 중요한 제한 요소는 직렬로 연결된 C101과 C102의 PL 스마트 트랜시버 통신 주파수에서의 임피던스는 아주 낮아야 한다는 것입니다. 이 capacitor들의 임피던스는, PL 스마트 트랜시버의 transmit amplifier의 출력 임피던스와 더불어, “Z0 Transmitter”에 부합합니다. 어떤 경우에는 전력선의 load 임피던스가 대략 1ohm보다 적을 수도 있고, PL 스마트 트랜시버의 송신 amplifier의 출력 임피던스가 1ohm보다 적기 때문에, 이 capacitor들의 통신 주파수에서의 임피던스는 1ohm보다 적어야 합니다. 결과적으로 “Z0 Transmitter”에 많은 임피던스를 추가해서는 안되게 됩니다. C101과 C102의 값을 높게 설정함으로써 이 목표를 달성할 수는 있지만, 그럴 경우 고전압(high-voltage) capacitor인 C101의 가격이 만만치 않습니다. C102는 저전압(low voltage)에만 연결되어 있고 주어진 값에 비해 가격이 저렴하기 때문에, 상대적으로 고전압용인 C101에 비해 더 높은 값을 설정할 수 있습니다.

 

적당한 capacitor을 사용하여 낮은 전송 임피던스를 획득하기 위한 간단하고 비용 효율이 좋은 방법으로는, 아래 그림과 같이 inductor L102를 추가하는 방법이 있습니다. 이 inductor는 C101, C102와 더불어 series-resonant 회로를 형성하며, 그 값은 통신 주파수 대역의 커플링을 최적화함과 동시에 C101과 C102의 가격을 최소화하는 값을 선택해야 합니다. C101과 L102의 값은 A-band와 C-band 에서 각각 최적의 성능을 발휘할 수 있는 서로 다른 값이 필요합니다. 

Simplified Coupling Circuit with Resonant Inductor

 

 

L102에 있어 중요한 요소는, L102가 신호 전송 path에 있으며 트랜스미터의 출력 임피던스의 일부이기 때문에, DC 저항이 매우 작아야 한다는 것입니다. 다행하게도 DC 저항이 0.3ohm 이하인 저렴한 inductor를 구하는건 어렵지 않습니다. 

Capacitor C101과 C102는 등가직렬저항(equivalent series resistance)을 최소화하고 적절한 surge immunity를 제공하기 위하여 metalized film형태로 사용해야 합니다.

신호 라인에 낮은 임피던스를 유지하는 것의 중요성을 나타내기 위해, 100kHz에서 9ohm의 임피던스를 가지는 페라이트 비드(ferrite bead)가 추가된 예를 생각해 보면, 1ohm 전력선으로 주입(inject)된 신호는 1/10로 줄어듭니다. 일반적인 조건에서는, 해당 기기는 동작하기는 하겠지만, 통신 마진과 전체 전력선 환경에서의 통신 안정이 매우 불안해집니다. 일반적으로 페라이트 비드는 지나치게 많은 임피던스를 제공합니다 (특별히 100kHz에서 낮은 임피던스를 가지는 것으로 선택되지 않은 한). PL 스마트 트랜시버를 장착한 대부분의 디바이스는 EMC regulation을 통과하기 위한 페라이트 비드가 필요하지 않습니다. 

 

직렬 회로 protection element의 임피던스 또한 매우 낮아야 합니다. 저전류 퓨즈(<2A) 및 리셋 가능한 보호 디바이스(protection device)들은 일반적으로 신호 패스에 수용 불가능한 직렬 임피던스(series impedance)를 더하곤 합니다

 

 아래 그림은 커플링 회로가 완전하게 동작하기 위해 필요한 모든 것들을 보여주고 있습니다. 첫째로 inductor L103이 PL 스마트 트랜시버의 수신 필터링 회로에 연결되었으며, L103의 DC 저항은 최대 55ohm까지 가능합니다. 둘째로는 다이오드 D101과 D102가 PL 스마트 트랜시버에의 과도한 전류 입력(>18V)을 막기 위해 트랜스미터로부터 amplifier supply rails로 연결되어 있습니다. 이 다이오드들의 특성은 transmit amplifier의 오작동을 일으키지 않으면서 목적대로 올바르게 작동하기 위하여 매우 중요합니다. 

바이패스 capacitor C103은 커플링 회로에 없어서는 안될 부분입니다. 이 capacitor의 기능 중 하나인 VA 공급라인이 diode D101을 통한 과도한 overshoot으로 부터 보호하게 됩니다. 만약 VA 전원장치의 output capacitor가 C103의 필요한 스펙을 모두 만족시킨다면 (그리고 변환 증폭기와 D101에 가깝게 위치할 수 있습니다), 커플링 회로에 추가적인 capacitor가 필요하지 않습니다. 한편으론 VA 전원장치 capacitor가 이러한 요건들을 충족시키지 못한다면, 또 다른 C103 capacitor가 변환증폭기와 D101 가까이에 포함될 수 있습니다.

 

낮은 임피던스의 signal path를 유지하려면 모든 회로는 transmit amplifier의 output과 AC 전력선에 (최소 1.3mm의 (50mils) 너비와 최소 15cm의 (6 인치) 길이) 만들어져야 합니다. 돌아오는 경로의 통신 신호는 구리 판이나 최소 1.3mm 너비와 최대 15cm 길이의 trace 중 하나여야 합니다. 왜냐하면 양극이 (positive polarity) 급증대하는 상황이 높은 전류를 D101과 C103을 통과해 다시 ground로 돌아가게 하기 떄문입니다. (D101이 신호 경로에서 C103이 다시 땅으로 연결되는 포인트로 들어갈 때 기판이 trace 하는 것 또한 위험!). 이것들은 최소 1.3 mm의 너비와 2cm 이하의 길이여야 하며, 변환증폭기의 VA supply에 있는 파동(ripple)을 제대로 컨트롤 하려면, 변환증폭기의 VA input과 C103이 다시 땅으로 연결되는 포인트의 trace가 최소 1.3mm 너비와 최대 4cm 길이여야 합니다. 아래 그림의 굵고 진한 선은 회로 traces가 1.3mm 이상 되어야 한다는 것을 보여준다. 점선 화살표는 최대 trace길이를 나타낸다.

Functional Line-to-Neutral or Line-to-Earth Coupling Circuit

 

 

넓은 자기장이 존재할 가능성이 있는 경우(switched mode 전력 공급으로부터의 open frame magnetic elements와 같은), 하나 이상의 PL 스마트 트랜시버의 커플링 회로 inductor가 이 표유 자계(stray field)에 연결되어 전력선으로 그것을 전도시킬 가능성이 있습니다. 이 필드들의 주파수와 진폭(amplitude)에 따라서, conducted emission 규정을 충족하지 못할 수도 있습니다.

 

Parasitic 커플링으로부터의 노이즈가 의심된다면, 10cm (4인치) 트위스트 페어선을 의심되는 inductor들에 순서대로 꽂아 보는 방법으로 확인이 가능합니다. 발생한 노이즈의 스펙트럼이 inductor를 이동시킴에 따라 수 dB 이상 변화가 있다면, parasitic 커플링이 문제의 원인일 수 있습니다.

 

만약 stray 커플링이 문제라면, 보통 위치 조정 또는 방출 디바이스의 커플링 회로 inductor에 대한 위치 배열을 통해 조정이 가능합니다. 다른 방법으로는 차폐(shielded) 혹은 원환(toroidal) inductor를 사용하여 커플링을 줄일 수 있습니다. 그러나, 만약 원환 또는 차폐 inductor가 L102의 자리에 사용된다면, 해당 파트는 반드시 PL 스마트 트랜시버 송신 증폭기의 최대 출력 전류를 포화 상태(saturation)에 근접하지 않고도 감당할 수 있어야 합니다. 만약에 L102가 포화 상태에 근접하게 되면, PL 스마트 트랜시버의 송신 신호에 고조파(harmonics)를 더할 수 있으며, 그에 따라 conduction emission 규정을 충족하지 못하게 될 수도 있기때문입니다. 이러한 이유 때문에, L102에 사용되는 차폐 또는 원환 inductor는  일반적으로 사용되는 inductor의 2~3배정도 되는 DC 정격 전류를 가져야 합니다. 

커플링 회로 입력 임피던스

수신 신호의 감쇠를 피하기 위하여, PL 스마트 트랜시버의 transmit amplifier는 송신 중이 아닐 때는 high 임피던스 상태(500ohm 정도)로 전환됩니다. 앞서 제시한 커플링 회로들과 결합하여 사용할 시에 PL 스마트 트랜시버 회로의 수신 모드에서의 임피던스는 통신 주파수 대역(A-band : 70~90kHz, C-band : 110kHz~138kHz) 내에서 250ohm 이상입니다.

 

일부 국가에서는 수신 모드에서의 임피던스가 통신 주파수 대역 외에서 얼마나 낮아야 되는지 제한을 두는 곳도 있습니다. 대부분의 커플링 회로에서의 수신 모드 임피던스는 line coupling capacitor (C101)와 coupling inductor (L101) 사이의 series resonant 효과 때문에 10kHz가량 하락(dip)하게 됩니다.

이러한 수신 모드에서의 임피던스 하락은 PL 스마트 트랜시버의 통신 성능에는 아무런 역영향을 미치지 않습니다. 만일 지역 규정에 대역 외 최소 수신 임피던스 제한이 5ohm 이라면, inductor L1을 DC 저항 5ohm 이상 가지고 있는 것으로 선택함으로서 해결할 수 있습니다. Conducted emission 규정을 충족시키기 위해서, 이 inductor의 DC 저항은 앞서 보여진 예시 커플링 회로들에 명시되었듯이, 14ohm을 초과해서는 안됩니다.

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