关于宽带电力线通信芯片的低功耗设计

0简介

电力线通信（PLC）是一种使用电力线传输数据和媒体信号的通信方法. 主要有三种应用场景: 宽带网络访问，室内设备互连和数据网络，电力信息收集和电力设备监控[1]. 前两个基本上是使用IEEE P1901和ITU-T G.hn国际标准开发的，它们强调大带宽，高性能以及对功耗没有明确的要求. 当前国内第三种用电量信息采集应用在最大的PLC市场中，由于低压电力线通道差异明显，普遍采用国内自行开发的电力线通信标准[2]，对应的技术是窄带和宽带. 窄带PLC具有通信速率低，稳定性和可靠性差等缺点，无法满足智能电网用电链路中信息双向交互业务的需求. 宽带PLC在通讯速度，抗干扰能力等方有明显的优势，但是消耗更多的功率. 由于装有宽带PLC通信单元的设备的电源容量有限，并且绿色节能集成复制解决方案对功耗的要求更高，这给宽带PLC芯片的开发带来了更大的挑战.

1功耗要求

国家电网为电力信息采集系统中的通信单元专门制定了检查技术规范[3]，它对低压宽带PLC通信单元的静态和动态功耗以及功率有非常明确的要求. 消费需求如表1所示.

同时，国家电网正在制定最新的低压电力线宽带载波通信技术规范，其静态和动态功耗将进一步降低. 在实际应用中，超过95％的通信单元用于单相载波能量计中，并且功耗要求也是最严格的. 本文将重点介绍这种分析.

2通信单元组成和宽带PLC芯片结构2.1通信单元组成

宽带PLC通信单元如图1所示，主要由宽带PLC芯片，线路驱动器（LineDriver，LD），LC带通滤波器，耦合变压器和闪存组成. 其中，宽带PLC芯片和LD是两个核心芯片. LD用于放大发送的模拟信号，最高输出电压在12 V以上. 它通常采用双极性工艺，不能与CMOS工艺宽带PLC芯片集成. LD是板级功耗高的设备. 其功耗与信号功率频谱密度直接相关. 国家电网对宽带PLC的功率谱密度有严格的规定. 内部和外部频带分别不大于-45 dBm / Hz和-75. dBm / Hz [3]. 降低LD功耗可以减少工作带宽并降低传输功率，但这会导致通信速率下降和通信距离缩短. 因此，有必要综合权衡标准制定和系统实施.

2.2宽带PLC芯片结构

宽带PLC芯片是典型的SoC，使用AHB / APB两级总线体系结构. 芯片结构如图2所示.

AHB总线是矩阵结构. 主设备包括CPU内核，系统DMA，运营商MAC硬件和物理层（PLC MAC HW / PLC PHY）；从设备包括SDRAM控制器，BootROM，SPI闪存控制器，AHB2APB桥以及相关的模块配置接口等. APB总线设备包括串行端口UART，定时器，PWM，GPIO，SPI控制器和系统控制单元SCU.

此外，该芯片还集成了高性能模拟前端AFE，AFE包括模数转换器ADC，数模转换器DAC，低通滤波器LPF和可编程增益放大器PGA.

3功耗构成

电力线通信采用基带传输方式，无射频部分，芯片由数字电路和模拟电路组成. 数字电路晶体管工作在截止区域和饱和区域，并且是开关电路，如公式（1）[4]所示. 它的功耗由动态功率（PD），短路功率（PS）和静态功率（PL）组成. 影响因素为: 负载电容（C），电源电压（VDD），工作频率（f），开关系数（N），短路电荷（QSC）和泄漏电流（Ileak），必须进行功耗控制排除上述影响因素.

模拟电路功能单元的电路实现形式有很大不同，很难像数字电路那样定义功耗组成. 模拟电路晶体管工作性放大区域，需要设置适当的偏置电压（或电流）. 在亚阈值模式下工作时，可以大大降低功耗. 此外，模拟模块通常提供低功耗关机模式. 用于设置的外部数字控制引脚.

4芯片低功耗设计4.1工作频段选择

IEEE P1901和ITU-T G.hn的工作频带为1.8〜30 MHz，可以扩展到50〜100 MHz. 其目的是在短距离传输中将带宽交换为每秒数百兆位甚至千兆位. 位通信速率. 但是，电力信息采集系统中的宽带PLC在室，可靠性，成本和功耗. 通信速率相对较低. 典型的10 Mb / s物理层速率可以满足要求. 应用需求[5]，因此可以大大降低工作频带.

芯片选择2〜12 MHz作为基本工作频带，可以扩展到500 kHz. 同时，使用小带宽模式或载波屏蔽模式，芯片可以在6 MHz以下工作. 芯片的工作频段避免了衰减较快的高频段，而窄带PLC工作时噪声较大的低频段，从而缩短了通讯距离. 该芯片使用与IEEE P1901 FFT物理层相同的正交频分复用OFDM技术. 由于带宽较窄，因此采用1024点FFT. 有效子载波在80〜490之间，子载波间隔为24.414 kHz，采样率（Fs）为25 MS / s，在小带宽模式下可以进一步降低到12.5 MS / s，这要低几倍高于IEEE P1901 FFT物理层采样率（75 MS / s或更高）. 较低的采样率和数据速率与低阶调制技术相结合，可以使SoC和PLC物理层通道以较低的时钟频率（≤Fs时钟的4倍）工作，同时大大减少了对模拟前端和线路的需求司机. 性能要求，从而降低了芯片的成本和功耗.

4.2物理层的低功耗设计

物理层的整体结构如图3所示，包括两条发送和接收路径. 每条路径都包含一个数字链路和一个模拟前端.

由于电力线信道是共享介质，物理层只能以分时的方式发送和接收，并且发送和接收是突发性的，这对功耗控制非常有好处. 物理层的工作状态主要有三种发送，载波侦听和接收. 当通道空闲时，处理器启动发送；发送时关闭接收通道，打开发送通道进行发送. 发送后，发送通道也关闭. 当不发送时，物理层通常处于载波侦听状态. 此时，接收通道的时域处理部分处于工作状态，频域和比特级处理部分关闭. 当接收信号强度（能量检测）高于阈值时，并且在检测到载波（前导检测）之后，它将切换到正常接收状态. 接收时，发送通道已关闭，接收通道正在工作. 接收完成后，关闭接收通道，并调整帧之间的间隔后，它将切换到发送或载波侦听状态.

物理层发送和接收数字链路均采用流水线结构. 前一级的输出用作下一级的输入，以推动下一级进行处理. 因此，可以在实现中使用由数据流驱动的时钟门控技术. 接地开关发送和接收数据链路的时钟，以达到降低功耗的目的. 动态时钟门控控制模块的结构如图4所示. 动态时钟控制信号（dynamic_on_off）由先前的输入控制信号和模块的工作状态共同产生. 为了提高灵活性，该模块还提供了软件控制（sw_on_off）模式. 虚线所对应的门控时钟仅存在于物理层链接模块中.

当相应路径关闭时，模拟前端的PGA，LPF，ADC，DAC和LD模块都可以进入低功耗模式. 上述模块中的PGA和LD的功耗相对较大. 当[6]并提高的灵敏度. 由于电源线通道非常复杂且衰减变化很大，因此要求PGA提供更大的增益范围和更小的增益步长. PGA必须采用多级放大结构，但是多级放大会带来更高的功耗. 为此，可以通过设置各种偏置模式或PGA提供的可调偏置电压来在性能和功耗之间取得平衡. 发送时，PGA处于关闭模式；当感测到该载波时，该PGA处于低功率偏置模式；接收时，它会迅速切换到低失真的全性能模式. 通过多种功耗模式的切换，PGA的功耗得以最小化. LD用于发送通道，其功能类似于PGA，功耗控制方法也相似.

4.3 MAC层的低功耗设计

宽带PLC MAC层使用结合了TDMA和CSMA / CA的信道访问和冲突避免机制. 时隙分配如图5所示.

在图5中，每个竞争时隙和非竞争时隙都类似于CSMA竞争时隙，可以分为3个时隙片，分别对应于A，B和C的三个阶段. PLC通信系统中的主节点（集中器）需要处理3个时隙片，而从节点（电能表）仅需要在其特定的1个时隙片中保持活动状态. 根据此功能，可以将睡眠模式和定时唤醒机制添加到芯片. 几乎有2/3的时间处于睡眠状态，因此实际的工作功耗将大大降低. 当进入网络时，通信单元可以通过接收到的信标帧获得诸如信标时间戳，相位线和时隙分配之类的信息，并在成功进入网络后保持本地32位网络参考时间. NTB计时器用于网络时间同步，并且每次接收到信标帧时都会进行检查. 在NTB计时器下，为时隙时序和相线时序导出了几个软计时器. 这些定时器可以指示PLC设备何时进入睡眠模式以及何时唤醒. 在睡眠模式下，芯片路径，大多数SoC电路和板级线路驱动器都可以进入睡眠模式，甚至关闭电源. 此时，芯片仅需要维护一个计时器. 当时间到了时，系统会自动从睡眠模式转为唤醒状态.

4.4芯片级低功耗设计

在工艺选择方面，该芯片采用了先进的40 nm低功耗工艺，动态功耗低；由于工作时钟频率低，该芯片采用了高阈值标准单元和漏电流小的存储单元，从而有效降低了静态功耗. 在时钟设计方面，每个模块都支持独立的时钟门控，可以根据工作场景的要求动态切换相应的模块；同时，不同的模块根据速度和性能要求以不同的时钟频率工作，这有助于减少非核心模块和非关键模块. 路径的功耗. 另外，芯片CPU和总线之间的时钟采用同步设计，支持整数频率关系，并由时钟使能信号控制. 芯片初始化后，性能瓶颈是对SPI闪存的访问. CPU和总线具有相同的频率，并且在较低的级别上运行. 在正常运行期间，频率可根据应用要求设置乘法关系，以实现性能与功耗之间的平衡. 在存储解决方案方面，由于芯片操作需要大量指令和数据空间，因此采用密封SDRAM的方法. 与板级解决方案相比，封装可以减少引脚的总数和芯片的封装尺寸，降低BOM成本，还可以大大减少SDRAM IO负载电容，以及在同一IO翻转下通过充放电产生的动态功耗率将大大降低.

5功耗测试

功耗测试包括静态功耗和动态功耗两个测试. 在静态功耗测试中，整个测试环境中只有一个带有PLC通信模块的电表，并且在完成初始配置后，PLC通信模块基本上处于载波侦听状态. 动态功耗测试使用集中器和电表通过PLC通信模块进行的网络，然后定期进行电表读数测试. 衰减器用于模拟集中器和仪表之间的信道衰减，频谱通过耦合器连接到仪表侧的电源线，以测量信号功率频谱密度，以确保带内和外频带功率谱密度满足国家电网的要求. 测量结果如表2所示. 从表2可以看出，宽带载波模块的静态功耗和动态功耗均满足技术要求，裕度大.

6结论

通过在多个级别采用多种低功耗设计技术，可将宽带PLC通信芯片的功耗控制在较低的水平. 目前，基于芯片的宽带PLC通信模块已经通过了基本的原型验证，并进入了试点应用. 结果表明，窄带载波在复制速度和成功率方有明显的优势. 在保持更大的传输距离和更低的成本的同时，其静态和动态功耗也完全满足国家电网的要求，这对于加快电力线传输至关重要. 载波通信技术从窄带向宽带的过渡以及对宽带通信技术的改进. 智能用电链路的通信技术水平和综合服务能力具有重要的参考意义.

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/tongxingongju/article-303892-1.html