CN1509526A - 电力线连网装置和方法 - Google Patents

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CN1509526A CNA01819964XA CN01819964A CN1509526A CN 1509526 A CN1509526 A CN 1509526A CN A01819964X A CNA01819964X A CN A01819964XA CN 01819964 A CN01819964 A CN 01819964A CN 1509526 A CN1509526 A CN 1509526A
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���ʿˡ�����
弗朗克·萨卡
С
阿尔博托·曼托瓦尼
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Abstract

本发明公开了一种通过电力线载送电数据信号和电功率的装置。该装置包括数据处理设备、电源和数据信号收发器。该装置还包括耦合到电力线和电源的干扰滤波器，并配置成滤去电磁干扰。本发明还公开了一种电磁耦合到电力线的耦合电路。耦合电路配置成传输和接收通过电力线运载的数据信号。耦合电路耦合到数据信号收发器。数据信号收发器配置成向数据处理设备传输数据信号和从其接收数据信号。

Description

电力线连网装置和方法
技术领域
一般地，本发明涉及电力线连网技术领域，进一步说，本发明涉及计算机电源线和计算机数据通信接口之间的信号接口。
背景技术
电力线技术(PLT)已经并将继续被快速引入消费市场，以支持家庭连网和其他本地网络情况。例如，可以利用家中的电力线路以不同于电力传输频率的频率载送数据通信信号，把家中的多台计算机连到一起。而且可以把其他的数据处理设备用类似的方式在家中连网。例如，可以用电力线技术把家中的应用设备以及家庭通信设备连在一起，如电话、视频设备、家庭安全设备、监视设备等。
通常，个人计算机(PC)不需要优化来支持PLT。目前，附加PLT系统的基本体系或者是内部PC卡(如ISA或PCI)，用户将其安装在已有计算机上，或者是具有USB口的外部独立盒或与PC接口的并行电缆。PLT模块，无论是内部的还是外部的，必须以某种方式耦合到电力线。通常PLT模块是通过将信号耦合模块插入到个人计算机附近的空电源插座中来耦合到电力线的。为了实现这种耦合，需要有空的电源插座，这在个人计算机系统附近是少见的，因为通常有显示器、打印机和其他附件连接到电源板。在有空插座的情况下，用户被迫将PLT模块连到相当嘈杂的电源节点，其中PC是直接连到该电源节点的，而没有通过适当的滤波。将PLT模块连接到嘈杂的电源节点会影响PLT网络的运行和性能，这取决于PC及其相连附件所用的电源类型。
在使用电源板(power strip)的情况下，现有的电源板可能包含能有效地从电力线解耦高频信号的滤波器。因此，为了优化性能将PLT适配器连接到电源板不一定恰当，因为电源板可能滤去的一些高频信号可能是正常的PLT家庭连网通信所需要的。即使电源板不含滤波器，由于PC电源及其所有连到电源板的外设表现出来的过度噪声和低阻抗，将PLT模块耦合到附近的电源板或插座也是不合适的。
在典型的PLT连网接口中，变压器接口用于将高频数据载波信号耦合到电力线。变压器的初级线圈通过耦合电容器连到电力线的交流(AC)插座。变压器的次级线圈连到PC或PLT模块内部的数据载波信号驱动器/接收器。变压器将PC系统与电力线隔离，同时滤去交流电信号成分。而且，变压器是通过物理连接器而不是PC电力电缆耦合到电力线，以避免由PC开关电源造成的任何干扰。
现有的耦合技术通常是最基本的，因为当PC已经通过PC电源线连接到电力线时需要在PC上设有外部端口以支持数据载波信号到电力线的连接。而且，需要从PC到交流电源插座的机内的互连模块以提供必要的耦合功能。这样，PLT连网设备的主要花费在于到已连接有PC的电力线网络的冗余连接。
参考图1，描述现有技术的个人计算机(PC)10。在其他硬件中PC 10还包括PC电源15。PC电源15通常包括含有交流插头25的电源线20，用于耦合到传统的电源插座。在实施例中，交流插头25可以是但不限于J-类型插头。在典型实现中，电磁干扰(EMI)过滤器25被耦合在电源线20和PC电源15间。现有的EMI过滤器25包括在交流插头25的火线(H)和中性线(N)端间耦合的电容器30。变压器35在H和N端耦合并耦合到分别在H端和地间以及N端和地间耦合的电容器40和45。电力线EMI过滤器25一般存在于很多开关电源中。变压器35通常用与电源端50和55串联的两个共模扼流圈(同向螺旋)电感器实现。两个电感器以常用的螺旋方式缠绕，目的是通过从电力线解耦高频噪声(电感器通常对高频表现出高阻抗)来抑制内部电源电路的EMI发射。在传统的实现中，这种电感器的值是毫亨(mH)级的。在传统的实现中，可以将数量级为0.1微法(μF)的电容器30加在或不加在H和N之间以进一步解耦通过PC电源线注入到电源的噪音。
因此，PLT连网设备需要将PC内的信号驱动器/接收器不通过外部端口、电力/信号线和/或互连模块耦合到电力线。而且，为改型现有PC，还对PLT适配器有另一需要，该适配器具有PLT模拟前端(AFE)卡、包括数字信号输入、电力线输入和耦合到PC电源的电源输出。而且还需要被优化用于PLT家庭连网的电源板。电源板包括内嵌到具有PLT耦合器的电源板的电源滤波器。
发明内容
本发明的实施例涉及在电力线上运载电数据信号和电功率的装置。该装置包括数据处理设备、电源和数据信号收发器。而且该装置还包括耦合到电力线和电源并配置成滤去电磁干扰的干扰滤波器。而且，该装置还包括电磁耦合到电力线的耦合电路。耦合电路配置成通过电力线传输和接收数据信号。耦合电路也耦合到数据信号收发器。数据信号收发器配置成向数据处理设备发送数据信号和从其接收数据信号。
本发明的另一个实施例涉及为电力线连网配置的电源板。电源板包括电插头。电源板也包括用于滤去电磁干扰的电源滤波器。电源滤波器被耦合至电插头。电源板还包括耦合到电源滤波器和信号耦合的电感器。而且，电源板还包括耦合到电源滤波器的电源插座。
本发明的又一个实施例涉及电力线连网适配器。电力线连网适配器包括电力线耦合输入。电力线连网适配器也包括耦合到电力线耦合输入的干扰滤波器。而且，电力线连网适配器包括耦合到滤波器电路的电磁电路。而且，电力线连网适配器还包括耦合到电磁电路的数据信号连接器。
本发明的又一个实施例涉及将数据处理设备耦合到载有电源和数据信号的电力线的方法。该方法包括将数据处理设备的电源通过干扰滤波器耦合到电力线，干扰滤波器被配置成滤去电磁干扰。该方法也包括将数据信号载波从数据信号收发器电磁耦合到电力线以提供电磁耦合电路。电磁耦合电路配置成传输和接收通过电力线载送的数据信号。
附图说明
结合附图，从下面的详细描述中可以更全面地理解本发明，其中相似的参考编号是指相似的元素，其中：
图1是包括EMI滤波器的PC的电源线示意图；
图2是电力线连网接口的一个实施例的示意图；
图3是电力线连网接口的另一个实施例的示意图；
图4是电力线连网模块的一个实施例的示意图；
图5是电力线连网模块的另一种实施例的示意图；以及
图6是用于电力线连网的包括电源滤波器和耦合器的电源板的示意图。
具体实施方式
整体结合下面的专利申请作为参考：
与本发明同时提交的、代理人档案号为99RSS496的、名称为“用于电力线连网的电源体系(POWER SUPPLY ARCHITECTUREFOR POWER-LINE NETWORKING)”的共同转让美国专利申请；
与本发明同时提交的、代理人档案号为OOCXT0276C的、名称为“用于电力线连网的具有小信号耦合的电源(POWER SUPPLYWITH SMALL-SIGNAL COUPLING FOR POWER-LINENETWORKING)”的共同转让美国专利申请；以及
与本发明同时提交的、代理人档案号为OOCXT0267US的、名称为“用于电力线连网的具有数字数据耦合的电源(POWER SUPPLYWITH DIGITAL DATA COUPLING FOR POWER-LINENETWORKING)”的共同转让美国专利申请。
现在参考图2，PC 200的一个实施例包括电源210和PLT模拟前端(AFE)220。如被结合作为参考资料的名称为“用于电力线连网的具有小信号耦合的电源”和“用于电力线连网的具有数字数据耦合的电源”中所描述的那样，PLT AFE220可以是电源210的一部分。电源210用于从电源接收电源输入，例如但不限于典型的家(或其他，如办公室)中电力线(如120伏，60赫兹)。PLT AFE 220用于向PC 200发送数据信号和从其接收数据信号(PLT AFE 200作为通信驱动器/接收器或收发器工作)。在一个实施例中，电源210通过EMI过滤器230耦合到交流插头225。而且在一个实施例中，EMI过滤器230包括在交流插头225的N端和变压器270之间耦合的电容器235、与交流插头225和电源210串联并耦合到分别在PC电源端245和255到地265间耦合的电容器255和260的电感器240。EMI过滤器230用于滤去开关电源210中产生的噪音，以便PC 200连到电力线时，由电源210产生的高频噪音不通过电力线发送。EMI过滤器230用于滤去开关和电源210产生的噪音，以便PC 200连到电力线时，由电源210产生的高频噪音不通过电力线发送。如图2所述，修改传统的PC开关电源以简化电力线接口设计的体系。对电源进行这样修改以使不需要从PC母板电力线的外部连接而优化从PC到电力线的数据载波信号耦合。
在如图2所示的实施例中，耦合变压器270通过取代已有的0.1微法(μF)的电容器35(见图1)的一个低频隔直电容器235连接到H和N端。而且在实施例中，可增加一个可选电阻275与电容器235并联，以便当拔去交流插头225时使电容235放电。EMI线过滤器230还用于滤去电源210产生的高频信号。然后配置PLT AFE 220以发送和接收通常位于2兆赫到50兆赫间的数据信号，或者在一个实施例中的4兆赫到22兆赫间的数据信号。在一个具体实施例中，变压器270与EMI过滤器340可被结合成PC 200的一部分，例如但不限于，PC 200母板的一部分。EMI 230还可与变压器270结合成电源210的一部分，在PC 200箱内连接到PLT AFE 220。
现在参考图3，PC 300的另一个实施例中包括电源310和PLTAFE 320。在该实施例中，表示为电线330的电线缠绕在支撑EMI过滤器340的两共模1毫亨(mH)电感335的同一环形磁心上。将电线330与电感335的铁心耦合可以为来往于PLT AFE 320和来往于交流插头345的高频数据载波提供有效的耦合机制，而不需要耦合电容器或额外的变压器。在一个实施例中，过滤器340和电线340可以结合到PC 300中，或者在另一个实施例中，EMI 340包括PC 300外部的配置成电源线适配器模块的电线330。
参考图2和图3，每个实施例与现有的PLT耦合接口相比都有降低成本的主要优点。通过使用图2和图3所示电路可以削减PC上的外部端口、独立电缆和到电力线的耦合模块的费用而不牺牲网络的性能。图2和图3所示实施例的另一优点是由于采用该技术的网络产品的端用户的方便性，端用户只需要将PC电源线连接到交流插座。除电源线本身外不再需要其他从PC到电力线的外部连接。图3所示实施例的另一个优点是与关联于独立的数据通信线和独立的电源线的阻抗相比，到电力线的耦合电路可以没有所称的电源上的负载效应，从而消除了电力线的多负载效应。
具有附加PLT卡或附加PLT设备的个人计算机或其它电子或数据处理设备的用户会要求到电力线的数据信号连接。图4描述了用于在用PLT卡或PLT设备被升级或改型的设备上实现PLT功能的PLT模块430。图4描述了在交流电源405和负载410，例如但不限于PC，以及在交流电源405和PLT插口(jack)420间耦合的模块400。模块400包括图2所示的相同电路，然而，到电源405、负载410和PLT插口420间的接口的电路集成在单独模块(或适配器)430中，该单独模块430可以是连到PC、交流插头或其间任何地方的模块(或适配器)。
PLT模块430的使用为现有PC系统中电力线连网的应用增加了显著优点。首先，在PC系统附近不需要空插座以将附加模块耦合到电力线，有时这意味着可以避免购买额外的电源板。其次，用户不负担将附加卡耦合到电力线的最佳位置的设计任务，这可能暗示客户支持呼叫或类似物，但不被迫重新配置现有电源线的内部连接来适应额外的笨拙的插头模块。第三，但不限于此，PLT模块430除了是具有有效过滤器的高频信号耦合器以使来自PC开关电源的影响网络系统正常运行的噪声最小外，还是电力线和PC电源的中间模块。
可称为PLT适配器的模块430可以从外部插入到PC电源的交流插座和通常插入到交流插座的电源线间。PLT模块430在一侧有一个输入插座，就像PC电源中见到的一样，在另一侧有一个与PC电源线中见到的插头(适合PC电源插座)类似的输出插头。而且，PLT模块430包括PLT接口插口420，它可以是标准RJ11类型或BNC连接器，或其他任何类型的插口或连接器，PLT附加模块将被连接用于耦合到电力线。在一个实施例中，PLT模块430可以完全用塑料模制，具有可用于连接到PC电源、电力线和PLT附加卡或PLT设备(内部或外部)的输入和输出元件。在另一个实施例中，PLT模块430可以完全嵌入并模制到PC电源线中。从而，电源线会是具有连接到PLT附加模块的一输出的PLT适配器和一端连到电力线、另一端连到PC电源的普通交流电源连接。PLT模块430虽然在概念上以不同于图2所描述的电路的方式被封装，但如图2所述，包括从PC电源解耦噪声的电力线过滤器和高频信号耦合机制。
现在参考图5，描述一个示例性的PLT连网接口500。PLT连网接口500包括在交流电源520、诸如PC530的负载和PLT插口540间耦合的PLT连网模块510。PLT模块510使用与图3描述相同的电路。如图4所述，PLT模块510是用于电力线连网的具有一耦合装置的电源线适配器。特别地，模块510包括耦合到PLT AFE的PLT插口540，通过交流电源520向PLT AFE发送数据信号和从其接收数据信号。
现在参考图6，描述PC电源板600。PC电源板包括耦合到电插头610的电源板605。电源线605耦合到具有PLT耦合器620的电源滤波器。例如，在一个实施例中，具有PLT耦合器620的电源滤波器可以是图4所描述的电路或图5所描述的电路。电源板600包括集成的PLT插口630和多个电插座640。电源板600包括内嵌的耦合装置620用于PLT连网，包括从耦合到电插头640的计算机系统及其外设解耦噪声的适当滤波。解决方案向消费者提供了一种不受所用的具体PC和外设影响的将高频信号有效耦合到电力线的方法。在一个实施例中，电源板600可推广到PLT家庭连网的一种改进的墙上安装的电源适配器，或包含用于PLT信号耦合的输出插口的一种改进的墙上电插座，具有类似于如图4和图5所描述的电路的作为电源板的内部电路拓扑。PLT插口630可以是但不限于标准RJ11类型插口。在一个实施例中电源板600包括是未过滤的插座的电插座650。插座650可用于向PLT兼容设备(也就是，已包含过滤器的设备，例如但不限于图4和图5所述的EMI过滤器430和510)提供电功率和数据信号。在另一个实施例中可以没有电插座650。
电源板600的使用为PLT连网的应用增加了显著优点。在PC系统附近不需要空插座以便将PC附加卡耦合到电力线，有时这意味着可以避免购买额外的电源线。用户不负担将附加卡耦合到电力线的最佳位置的确定任务，这可能暗示客户支持对卡生厂商的呼叫，不被迫重新配置电源线的现有内部连接来适应额外的笨拙的插头模块。电源板600除了作为PLT数据载波信号的高频信号耦合器外，还提供电力线和具有所有外设的PC电源间的中间过滤效果，其中，其使来自各个电源接口的噪声最小，并能大大改善PLT家庭连网系统的性能和运行。
虽然实施例涉及耦合到家庭电力线的个人计算机，本发明也适用于其他类型的网络通讯设备，而不必是家庭网络和个人计算机。
而且，虽然实施例涉及具体类型的插口、耦合器和插头，应该更宽地解释这些术语。实施例包含在数据处理设备和电源间进行任何类型的电或光、射频、超声波、和类似的耦合的情况。
而且，本领域技术人员明白本发明可有多种不同的硬件配置、软件配置、通讯协议和组织或过程。
虽然这些给出的详图、具体实例和特定的形式描述了实施例，他们只用于说明目的。所示和所述的材料和配置可以根据应用所选的性能特点和物理特点而不同。例如，所用的连网类型和连网协议可以不同。所示和所述的系统不限于公开的具体细节和条件。而且，可以对实施例的设计、运行状况和布局作出其他代替、修改、改变和删略，而不偏离所附权利要求表达的发明范围。

Claims (48)

1、一种通过电力线载送电数据信号和电功率的装置，包括：
数据处理设备；
电源；
数据信号收发器；
干扰滤波器，耦合到电力线和电源并配置成滤去电磁干扰；以及
耦合电路，电磁耦合到电力线，该耦合电路配置成发送和接收通过电力线载送的数据信号，该耦合电路耦合到数据信号收发器，数据信号收发器配置成向数据处理设备发送数据信号和从其接收数据信号。
2、如权利要求1所述的装置，其中数据处理设备是个人计算机。
3、如权利要求1所述的装置，其中电功率具有第一频率，电数据信号具有区别于第一频率的第二频率。
4、如权利要求3所述的装置，其中第一频率位于50到60赫兹的范围内。
5、如权利要求3所述的装置，其中第二频率位于2到50兆赫的范围内。
6、如权利要求1所述的装置，其中干扰滤波器包括至少一个电容器。
7、如权利要求1所述的装置，其中干扰滤波器包括一个具有滤波变压器铁心的滤波变压器。
8、如权利要求7所述的装置，其中变压器电路包括缠绕在滤波器变压器铁心的电线以提供到电源输入的电磁耦合。
9、如权利要求1所述的装置，其中变压器电路与电力线并联。
10、如权利要求1所述的装置，其中干扰滤波器和变压器电路集成在数据处理设备中。
11、如权利要求1所述的装置，其中数据信号收发器是电力线变压器模拟前端电路。
12、如权利要求1所述的装置，其中变压器电路和滤波器电路集成到在电源输入和电源之间耦合的一模块中。
13、如权利要求12所述的装置，其中该模块包括用于数据线的一耦合，该数据线配置成载送电数据信号。
14、如权利要求13所述的装置，其中该耦合是RJ11插口。
15、如权利要求13所述的装置，其中该耦合是BNC连接器。
16、如权利要求1所述的装置，其中该变压器电路和滤波器电路集成在一电源板中。
17、如权利要求16所述的装置，其中该电源板包括至少一个电插座。
18、如权利要求16所述的装置，其中该电源输入是耦合到电源板的电插头。
19、如权利要求16所述的装置，其中该电源板包括配置成连接数据线的电力线变压器耦合，该数据线配置成载送电数据信号。
20、如权利要求19所述的装置，其中该电力线变压器耦合是RJ11插口。
21、如权利要求19所述的装置，其中该电力线变压器耦合是BNC连接器。
22、为电力线连网配置的电源板，电源板包括：
电插头；
电源滤波器，用于滤去电磁干扰，该电源滤波器耦合到电插头；
电感器，耦合到该电源滤波器和一信号耦合；以及
电源插座，耦合到该电源滤波器。
23、如权利要求22所述的电源板，其中该电源板包括与电源滤波器并联耦合的多个电源插座。
24、如权利要求22所述的电源板，其中该电源滤波器包括一电容器。
25、如权利要求22所述的电源板，其中该电源滤波器包括一变压器。
26、如权利要求25所述的电源板，其中该电感器与电源滤波器的变压器共享一个变压器铁心。
27、如权利要求22所述的电源板，其中电感器与电插头并联耦合。
28、如权利要求22所述的电源板，其中该信号耦合是一RJ11插口。
29、如权利要求22所述的电源板，其中该信号耦合是一BNC连接器。
30、一种电力线连网适配器，包括：
电力线耦合输入；
干扰滤波器，耦合到该电力线耦合输入；
电磁耦合电路，耦合到该滤波器电路；以及
数据信号连接器，耦合到该电磁耦合电路。
31、如权利要求30所述的适配器，还包括：
耦合到电力线输入耦合的电插头。
32、如权利要求31所述的适配器，其中，电插头是与该电力线输入耦合集成在一起的。
33、如权利要求30所述的适配器，其中，该电力线输入耦合、干扰滤波器、电磁耦合电路和数据信号连接器集成在一个单独的单元中。
34、如权利要求30所述的适配器，其中，该干扰滤波器包括具有一变压器铁心的变压器。
35、如权利要求34所述的适配器，其中，电磁耦合电路包括共享该变压器铁心的一绕组。
36、如权利要求30所述的适配器电路，其中，电磁耦合电路包括与该电力线输入耦合并联的变压器。
37、如权利要求30所述的适配器电路，其中，该数据信号连接器包括一RJ11插口。
38、如权利要求30所述的适配器电路，其中，该数据信号连接器包括一BNC连接器。
39、如权利要求30所述的适配器，其中，通过该电力线输入耦合载送的电功率信号具有第一频率，通过该电力线输入耦合载送的电数据信号具有不同于第一频率的第二频率。
40、如权利要求39所述的适配器，其中，第一频率位于50到60赫兹的范围内。
41、如权利要求39所述的适配器，其中，第二频率位于2到50兆赫的范围内。
42、一种将数据处理设备耦合到电力线的方法，电力线运载电功率和数据信号，包括：
将数据处理设备的电源通过干扰滤波器耦合到电力线，干扰滤波器配置成滤去电磁干扰；以及
将来自数据信号收发器的数据信号载波电磁耦合到电力线以提供一电磁耦合电路，电磁耦合电路配置成发送和接收通过电力线载送的数据信号。
43、如权利要求42所述的方法，其中，电磁耦合步骤包括在电力线和数据处理设备间设有一电感器。
44、如权利要求42所述的方法，其中，干扰滤波器包括具有一电感器铁心的电感器。
45、如权利要求44所述的方法，其中，电磁耦合步骤围绕该电感器铁心的一绕组。
46、如权利要求42所述的方法，还包括：
将干扰滤波器和电磁耦合电路集成在数据处理设备中。
47、如权利要求42所述的方法，还包括：
将干扰滤波器和电磁耦合电路集成在电源中。
48、如权利要求42所述的方法，还包括：
将干扰滤波器和电磁耦合电路集成在数据处理设备中。
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