特征

•支持：

–CENELEC A、B、C、D波段

–ARIB STD-T84，F(xiàn)CC

–FSK、SFSK和NB-OFDM

•符合：

–EN50065-1、-2、-3、-7

–FCC，第15部分

–ARIB STD-T84

•標準：

–G3，PRIME，P1901.2，ITU-G.hnem

•帶熱保護和過流保護的集成電源線驅動器

•引腳可選靜態(tài)電流消耗：

–待機模式下為40μA（典型）

–51 mA，適用于CENELEC A、B、C、D波段（典型）

–78 mA，適用于FCC、ARIB STD-T84、FCC（典型）

•包裝：5 mm×5 mm 20針VQFN

•擴展工作溫度范圍：

TA=–40°C至+125°C

應用

• eMetering

•家庭區(qū)域網(wǎng)絡

•照明應用

•太陽能應用

•導電線和電動車輛供電設備

說明

OPA521是一種電力線通信（PLC）線路驅動器，滿足CENELEC a、B、C和D波段以及ARIB STD-T84和FCC第15部分中的傳導發(fā)射要求。該裝置用于驅動高達1.9A的高電流、低阻抗線路進入無功負載。隨著優(yōu)化的內部保護結構，OPA521需要最小的外部保護組件，以實現(xiàn)最小的系統(tǒng)解決方案成本。

OPA521的閉環(huán)增益為7，帶寬為3.8MHz。單片機在電力線通信應用中具有很高的可靠性。

OPA521發(fā)射功率放大器從7 V到24 V的單電源工作。在典型的負載電流（IOUT=1.9 APEAK）下，寬輸出擺幅使標稱24 V電源具有10-VPP能力。

裝置內部有過熱和短路保護。故障檢測標志指示電流和熱極限。關閉引腳可用，并將設備置于低功耗狀態(tài)，消耗40μA（典型）。

OPA521有表面安裝，5 mm×5 mm QFN，20針封裝（RGW）。規(guī)定在擴展的工業(yè)連接溫度范圍-40°C至+125°C范圍內運行。

設備信息

（1）、有關所有可用的軟件包，請參閱數(shù)據(jù)表末尾的訂購附錄。

詳細說明

概述

OPA521是一種為電力線通信（PLC）應用而設計的功率放大器。該器件具有-7v/V的固定增益，低通濾波器響應，良好的線性度和通過帶寬的低失真。放大器使用7-V至24-V電源工作，可在-40°C至+125°C范圍內提供高達±1.9 A的連續(xù)電流。

功能框圖

特性描述

OPA521提供可選的輸出電流限制（ILIM）、靜態(tài)電流（IQSET）選擇引腳和設備啟用引腳。IFLAG輸出警報引腳指示輸出電流警告，當設備內部溫度迫使設備關閉時，TFLAG警報觸發(fā)。

IQSET引腳

該引腳通過調整靜態(tài)電流來設置放大器的工作頻帶。

•IQSET>2 V將設備設置為在FCC或ARIB波段工作

•IQSET<0.8 V設置設備在CENELEC波段工作

EN引腳

當變送器不使用時，當EN引腳減少時，輸出被禁用并處于高阻抗狀態(tài)。對于典型操作，將EN引腳連接至3.3 V。在禁用模式下，整個設備會消耗40μA（典型）電流。

ILIM引腳限流

ILIM引腳（引腳12）提供電阻可編程輸出電流限制。方程式1確定連接到該引腳的外部RSET電阻值。

式中：

•RSET=連接在針腳26和接地之間的外部電阻器的值，

•以及

•Ilim=所需電流限制值。

公式1給出的Ilim值有30%的公差。

IFLAG和TFLAG引腳

IFLAG和TFLAG引腳為高電平、開漏極輸出，指示OPA521是否處于電流或熱極限。將這些電阻（例如，10Ω到3Ω）連接在一起。

功率放大器的最大輸出電流通過連接在ILIM（針腳12）和接地之間的外部ILIM電阻器進行編程。如果發(fā)生故障，如果放大器進入電流限制狀態(tài)，則設置IFLAG。這會導致功率放大器產(chǎn)生或吸收的電流大于編程的極限值。IFLAG在典型操作下表現(xiàn)出瞬態(tài)脈沖。IFLAG真實狀態(tài)超過100毫秒是故障電流狀態(tài)的明確指示。

該裝置包含內部熱關機保護電路，當結溫超過165°C時，該電路可自動關閉輸出級。只有當結溫降至150°C以下時，裝置熱關機保護電路才允許放大器正常工作。當裝置處于熱關機模式。

設備功能模式

OPA521從一個電源軌從7 V工作到24 V。增益設置為–7 V/V，并且可以通過連接到增益設置和–IN引腳的外部電阻器來增加。

應用與實施

注意：以下應用章節(jié)中的信息不是TI組件規(guī)范的一部分，TI不保證其準確性或完整性。TI的客戶負責確定組件的適用性。客戶應驗證和測試其設計實現(xiàn)，以確認系統(tǒng)功能。

申請信息

OPA521是一個集成的電力線通信功率放大器，它通過線路耦合電路將PLC數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娏€上。

典型應用

典型應用的示意圖如圖1所示。

設計要求

對于典型的電力線應用，請使用以下參數(shù)：

例子：

對于使用具有2Ω負載和1-Vrms負載電壓的OFDM信號的PRIME或G3：

P電源=VLOAD×OFDM乘法器×匝數(shù)比+（2×VSWING）

P電源=6 V×1.5×1.5+（2×2 V）

P電源=17.5 V

詳細設計程序

系統(tǒng)示例

功率放大器模塊

該功率放大器通過線路耦合電路將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娫淳€上。功率放大器由高轉換率、高電壓、大電流運算放大器組成。該放大器的逆變增益為7v/V，在整個帶寬內保持良好的線性和低失真。放大器的工作電壓為7 V至24 V，在規(guī)定的結溫范圍-40°C至+125°C范圍內，可提供高達±1.9 A的連續(xù)輸出電流。在典型的電力線通信（PLC）應用中連接放大器需要一些附加組件。圖2顯示了與放大器的典型連接。

+連接

+IN引腳為靜態(tài)輸出電壓提供正確的半電源偏置。+IN引腳始終連接到等于（V+）/2的直流偏壓。

-連接

外部電容器（CIN）在傳遞函數(shù)中引入了單極高通特性。由于放大器固有的低通傳遞函數(shù)，CIN和放大器組合具有帶通響應。高通截止頻率的值由CIN決定，CIN與放大器電路的輸入電阻發(fā)生反應。公式2計算該值：

式中：

•CIN=外部輸入電容器和

•fHP=所需高通截止頻率。

例如，將CIN設置為3.3 nF會導致2.9 kHz的高通截止頻率。必須確定CIN的額定電壓，以承受高達PA電源電壓的操作。

CIN設置單位直流增益。這會使放大器的直流輸出偏移到與+IN相同的電平，該電平必須始終連接到電源電壓（V+）一半的無噪聲低阻抗電源。

線路耦合電路

線路耦合電路是電力線調制解調器中最關鍵的電路之一。線路耦合電路阻止電源的低頻信號（通常為50赫茲或60赫茲）損壞低壓調制解調器電路，并將調制解調器信號與交流電源連接。圖3顯示了一個典型的線路耦合電路。

電路保護

電力線通信通常位于對連接到交流線路的電氣部件來說非常惡劣的工作環(huán)境中。如果沒有提供適當?shù)谋Ｗo，來自電氣異常（如閃電、電容器組切換、感應開關或其他電網(wǎng)故障條件）的噪聲或浪涌會損壞高性能集成電路。通過使用各種技術來保護設備，功率放大器可以在最惡劣的條件下生存。

布置保護電路，采用金屬氧化物壓敏電阻器（MOV）、瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）、肖特基二極管和齊納二極管，盡可能多地消除電氣干擾。這些元件在異常情況到達設備之前消除了電干擾。圖4顯示了推薦的瞬態(tài)過電壓保護策略。

高壓耦合電容器必須能夠承受MOV提供的鉗位保護的脈沖。一個金屬化聚丙烯電容器（例如伊利諾伊州的474MkPa275kA電容器™) 額定電壓為50赫茲至60赫茲，250伏交流電壓至310伏交流電壓，可承受24次2.5千伏的脈沖。

表2和表3列出了幾種推薦的瞬態(tài)保護元件。

（1）、在超出正常電源工作范圍的最低可用額定值下選擇齊納擊穿電壓。例如，1SMB5931B設計用于功率因數(shù)VS=15V的系統(tǒng)，而1SMB5934B設計用于功率因數(shù)VS=20V的系統(tǒng)。

（2）、選擇TVS擊穿電壓為或略低于（0.5×PA_VS）。例如，SMCJ6.0CA是為PA_VS=15 V的系統(tǒng)設計的，而SMCJ8.0CA是為PA_VS=20 V的系統(tǒng)設計的。

（3）、高壓電容器的一個常見值是470nF。可根據(jù)應用要求替換其他值。在進行替代時，必須從同一系列或同等系列的電容器中選擇電容器，其額定值應能承受電源線上的高壓浪涌，以確保可靠性。

（1）、在超出正常電源工作范圍的最低可用額定值下選擇齊納擊穿電壓。例如，1SMB5931B設計用于功率因數(shù)VS=15V的系統(tǒng)，而1SMB5934B設計用于功率因數(shù)VS=20V的系統(tǒng)。

（2）、選擇TVS擊穿電壓為或略低于（0.5×PA_VS）。例如，SMCJ6.0CA是為PA_VS=15 V的系統(tǒng)設計的，而SMCJ8.0CA是為PA_VS=20 V的系統(tǒng)設計的。

（3）、高壓電容器的一個常見值是470nF。可根據(jù)應用要求替換其他值。在進行替代時，必須從同一系列或同等系列的電容器中選擇電容器，其額定值應能承受電源線上的高壓浪涌，以確保可靠性。

電源建議

提供兩個電源引腳和兩個接地引腳，為與驅動交流電源低阻抗相關的高電流提供路徑。TI建議將兩個電源引腳連接在一起。建議將47-μF至100-μF旁路電容器與100 nF電容器并聯(lián)，盡可能靠近裝置。布線PCB上的高電流接地線時要小心，以避免PCB接地中的電壓降可能隨負載電流的變化而變化。

布局

布局指南

熱注意事項

在典型的電力線通信應用中，當向低阻抗交流線路傳輸時，該設備消耗2W的功率。這種功耗會增加結溫，如果PCB的熱設計沒有得到正確的實現(xiàn)，會導致熱過載，從而導致信號傳輸中斷。為了確保適當?shù)脑O備溫度，最大限度地提高性能，延長設備的使用壽命，需要對設備的熱流進行適當?shù)墓芾恚约傲己玫腜CB設計和結構。

該裝置組裝在一個5-mm×5-mm，QFN-20封裝中。這種QFN封裝在底部有一個大的裸露的熱墊，它將熱量從設備傳導到底層PCB。

一些熱量通過塑料包裝材料從硅片表面?zhèn)鲗У街車h(huán)境中。然而，這條路徑并不是熱流的主要熱路徑，因為塑料是一種相對較差的導熱體。熱量流過硅芯片表面，通過導線連接到封裝引線，到達PCB頂層。雖然這些熱流路徑很重要，但大部分（近80%）的熱量向下流經(jīng)硅芯片，流向導熱芯片，附著在環(huán)氧樹脂上，并附著在封裝底部的外露熱墊上（如圖5所示）。最大限度地減少這種向下路徑到周圍環(huán)境的熱阻，使設備的壽命和性能最大化。

外露的熱焊盤必須焊接到PCB熱焊盤上。PCB上的熱墊必須與QFN封裝下面的外露熱墊尺寸相同。請參閱QFN/sonpcbtachment，以獲取將熱墊連接到PCB的建議。圖6顯示了從設備到PCB的熱擴散方向。

如果熱路徑是不間斷的，那么熱傳播到PCB的最大化。如果熱擴散表面盡可能用銅填充，則可獲得最佳效果，從而使每層覆蓋的面積百分比達到最大。例如，一個熱穩(wěn)定的多層PCB設計由四層組成，頂層的銅（Cu）覆蓋率為60%，內層為85%和90%，底層為95%。

增加PCB的層數(shù)、使用更厚的銅以及增加PCB的面積都是改善熱傳播的因素。圖7到圖9顯示了熱阻性能作為這些因素的函數(shù)。

布局示例

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