专利名称：宽频电力线网络装置的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种电力线网络装置，且特别是有关于一种宽频电力线网络装置。
背景技术：
由于科技的进步，个人电脑与网络已经深入各个家庭并成为生活上不可或缺的一部分。而家庭中的许多电脑可以利用网络来达成数据的交换、数据分享或者数据的打印。利用电力线通信(Power Line Communication,简称PLC)系统是众多连接电脑的方式之一,其利用家庭里的电源线路(electrical wires)即可完成电脑之间的连结。请参照图1，其所示为宽频电力线通信系统(broadband PLC system)的示意图。 由于一般家庭的各个区域，例如，房间、书房、客厅、厨房，都有许多电力插座，这些并联的电力插座除可供应交流电源(AC power)之外，还可以利用这些电源线路来完成宽频电力线通信系统。由图I中可知，个人电脑100的电源插头105可以插入第一电力插座110用以提供个人电脑100的电力。而个人电脑100与家庭中任意位置的另一电脑，例如笔记本电脑 200之间也可以利用电源插座内的电源线路来达成连结。一般来说，所谓的宽频电力线系统是利用多个宽频电力线网络装置(broadband power line network device)来传输 10Mbps 以上的以太网络信号(Ethernet signal)。如果其他的网络系统并非利用高速以太网络信号来进行传递或者传输速度在IOMbps以下， 则该网络系统并非宽频网络系统。为了简化说明，以下的电力线网络装置皆为宽频电力线网络装置。由图I中可知，将个人电脑100的网络线115插于一第一电力线网络装置120并将第一电力线网络装置120插入一第二电力插座125 ;同理，将笔记本电脑200的网络线215 插于一第二电力线网络装置220并将第二电力线网络装置220再插入一第三电力插座225。 如此，即可以达成个人电脑100与笔记本电脑200之间的连结。并且，完成宽频电力线通信系统。众所周知，电源插座内供应110V或者220V的交流高电压，因此电力线网络装置内的线路布局(trace layout)必须具有严格的规范，以防止使用者在任何情况下接触到交流的高电压并且造成危险。因此，如何设计电力线网络装置使得线路布局符合规范，并且能有效地减少线路布局面积以及降低宽频电力线网络装置的成本，即为本发明所欲达成的目的。
发明内容
本发明有关于一种宽频电力线网络装置。在电路板上利用最少的耦合元件(以太网络信号耦合单元)来隔离高电压，除了可以防止使用者受到伤害外还可以减少电路板的尺寸缩减宽频电力线网络装置的体积以及降低宽频电力线网络装置的成本。本发明提出一种宽频电力线网络装置，包括一种电力线网络装置，包括一电路板，区分为一一次侧区域与一二次侧区域，且该一次侧区域与该二次侧区域间隔一第一距离；一电源转换器，配置于该电路板的该一次侧区域，该电源转换器具有一对电源接收端以接收一交流电源并转换为一直流电源；一网络控制芯片，配置于该电路板的该一次侧区域并接收该直流电源；一网络连接器，配置于该电路板的该二次侧区域并传递或接收一外部网络信号；以及一以太网络信号耦合元件，配置于该电路板的该一次侧区域与该二次侧区域之间，该以太网络信号耦合元件接收该二次侧区域的该外部网络信号并于该一次侧区域据以产生一内部网络信号，或者接收该一次侧区域的该内部网络信号并于该二次侧区域据以产生该外部网络信号；其中，该网络控制芯片接收该内部网络信号并转换为一调变网络信号后由该对电源接收端输出该电力线网络装置，或者接收由该对电源接收端输入的该调变网络信号并转换为该内部网络信号后传递至该以太网络信号耦合元件。为了对本发明之上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下
图I所示为电力线通信系统的示意图。
图2所示为电力线网络装置示意图。
图3A所示为利用隔离式交直流电源转换器所完成的电力线网络装置示意图。
图3B与图3C所示为电力线网络装置的电路板及其相关元件配置示意图。
图4A所示为利用非隔离式交直流电源转换器所完成的电力线网络装置示意图。
图4B与图4C所示为电力线网络装置的电路板及其相关元件配置示意图。
图5所示为以太网络信号耦合元件的电路图。
其中，附图标记说明如下
100:个人电脑
105、106 :电源插头
110:第一电力插座
115:网络线
120:第一电力线网络装置
125:第二电力插座
200:笔记本电脑
215:网络线
220:第二电力线网络装置
225:第三电力插座
160:电力线网络装置
162:一次侧区域
164:二次侧区域
170:电源转换器
180网络控制芯片
190:以太网络信号耦合元件
195:网络连接器
305:雷击保护器
310:共模扼流线圈
315:桥式整流器
320:高压电容
325:交换式芯片
330:缓冲器
350:Y型电容
352:电源变压器
354:光稱合器
356:信号耦合单元
405:雷击保护器
410:共模扼流线圈
415:桥式整流器
420:高压电容
425:交换式芯片
430:缓冲器
435:电感
450:一次侧区域
455:二次侧区域
具体实施例方式请参照图2，其所示为电力线网络装置示意图。电力线网络装置160包括一电源插头106、一电源转换器170、一网络控制芯片(network control chip) 180、以太网络信号稱合元件190、一网络连接器195。电力线网络装置160的网络连接器195，例如RJ45插座，可插入网络线连接至个人电脑(未绘示)。当数据传送时，由个人电脑(未绘示)所产生的外部网络信号(SI)会输入以太网络信号耦合元件190。而以太网络耦合元件190会根据外部网络信号(SI)进而产生内部网络信号(S2)并输入网络控制芯片180。基本上，外部网络信号(SI)不可以直接输入网络控制芯片180。因此，电力线网络装置160中利用以太网络信号耦合元件190来接收外部网络信号(SI)并感应出内部网络信号(S2)并输入网络控制芯片180。一般来说，以太网络信号耦合元件190可为一信号变压器(signal transformer),经由接收外部网络信号(SI)而产生内部网络信号(S2)。接着，网络控制芯片180会调变(modulate)该内部网络信号(S2)并输出调变网络信号(S3)。而经由电源转换器170使得调变网络信号(S3)由电源插头106输出至其他电力线网络装置(未绘示)。相反地，当电源插头106接收到其他电力线网络装置(未绘示)输出的调变网络信号(S3)后，可经由电源转换器170传送至网络控制芯片180。接着，网络控制芯片解调 (demodulate)调变网络信号(S3)，进而输出内部网络信号(S2)。而以太网络信号耦合元件 190则根据内部网络信号(S2)产生外部网络信号(SI)经由网络连接器195传递至个人电脑(未绘示)。
再者，电源转换器170连接至电源插头106，其可接收外部交流电源，并且将交流电源转换为直流电源(Vin)并提供至网络控制芯片180，使得网络控制芯片180可正常运作。一般来说，电力线网络装置160被一绝缘外壳(housing)所包覆，而使用者仅能够接触到电源插头106以及网络连接器195中的导电材质(金属)。当电力线网络装置160的电源插头106插入电源插座后，使用者仅可能接触到网络连接器195中的导电材质。为了要防止使用者的伤害，电力线网络装置160中电路板(PCB 板)的线路布局必须要遵守安规的规范，让使用者于接触到网络连接器195中的导电材质时也不会造成任何损伤。根据安规的规范，使用者接触到振幅超过42. 4V的交流电压或者大于60V的直流电压时，可能造成使用者的伤害。因此，大于上述电压即可称之为危险电压。为了要防止使用者的伤害，第一种作法利用隔离式交直流电源转换器(isolated AC-DC power converter)来实现。所谓隔离式交直流电源转换器是将高电压的输入端以及低电压的输出端之间进行隔离，以确保输出端对使用者的人身安全。而隔离式交直流电源转换器中以电源变压器(power transformer)来作为最主要的稱合元件。换句话说，在电力线网络装置160中电路板的线路布局将电源转换器170区隔在电路板的一次侧区域(高压侧区域)，而将网络控制芯片180、以太网络信号耦合元件190、 与网络连接器195设计在电路板的二次侧区域(低压侧区域)。再者，一次侧区域与二次侧区域之间并没有直接的电性连接，而是利用耦合元件来作为电路板一次侧区域与二次侧区域之间的信号与电源的传递。因此可以确保二次侧区域不会有任何危险电压。请参照图3A，其所示为利用隔离式交直流电源转换器所完成的电力线网络装置示意图。基本上，电力线网络装置160设计在单一电路板上，并且在电路板上区分出一次侧区域(高压侧区域)162与二次侧区域(低压侧区域)164。在电路板的表面上，一次侧区域 162以及二次侧区域164之间完全电性隔离。也就是说，并没有任何的布局线路(layout trace)连接于一次侧区域162以及二次侧区域164之间。再者，一次侧区域162以及二次侧区域164之间利用耦合元件来达成信号以及电源的传递。耦合元件包括Y型电容350、电源变压器352、光耦合器354、以及信号耦合器 (signal coupler)356。如图3A所示，电源转换器170上除了耦合元件之外，其他电路元件皆设计在电路板的一次侧区域162上。其中，电源插头106至电源变压器352之间连接了雷击保护器(surge catcher) 305、共模扼流线圈(common mode choke) 310、桥式整流器(bridge rectifier) 315、高压电容(high voltage capacitor) 320、交换式芯片(switching mode regulator) 325、与缓冲器(snubber) 330。基本上,共模扼流线圈310用来消除线路上的共模电磁干扰信号，桥式整流器315以及高压电容320进行交直流电压转换以及稳压的功能。 而交换式芯片325进行电压转换，经由缓冲器330使得电源变压器352产生网络控制芯片 180所需的直流电源(Vin)。光耦合器354可根据直流电源(Vin)的变化来产生控制信号调整交换式芯片。而网络控制芯片180所产生的调变网络信号(S3)则利用信号耦合器356 来产生对应的感应调变网络信号(S3’ )并经由雷击保护器350输出电源插座106。而为了使得电路板符合安规的规范，一次侧区域162以及二次侧区域164必须相距一安全距离⑶以符合安规的规范。举例来说，此安全距离至少需大于3mm，例如5mm。请参照图3B与图3C，其所示为电力线网络装置的电路板及其相关元件配置示意图。如图3B所示，电路板的尺寸为44mmX60mm，且电路板上区分为一次侧区域162与二次侧区域164，一次侧区域162与二次侧区域164之间并没有布局线路直接的电性连接。一次侧区域162与二次侧区域164之间相隔一安全距离⑶。如图3C所示，电力线网络装置的相关元件安置于电路板的示意图。一次侧区域 162上具有一对电源接收端(+、-)连接至电源插座(未绘示)。再者，雷击保护器305、共模扼流线圈310、桥式整流器315、高压电容320、交换式芯片325、与缓冲器330设置于一次侧区域162。网络控制芯片180、以太网络信号耦合元件190、与网络连接器195设置于二次侧区域164。Y型电容350、电源变压器352、光耦合器354、与信号耦合单元356则跨越一次侧区域162与二次侧区域164。由图3C可知，网络连接器195位于二次侧区域164，且该二次侧区域164并未有任何危险电压。因此，当电路板被绝缘外壳所包覆后，就算使用者接触到网络连接器195中的导电材质(金属)以不会造成任何伤害。再者，为了能够有效的缩减电路板的面积，另第一种作法是利用非隔离式交直流电源转换器(non-isolated AC-DC power converter)来实现。而非隔离式交直流电源转换器可减少使用耦合元件。基本上，非隔离式交直流电源转换器并未将高电压的输入端以及低电压的输出端进行隔离，因此可能对会伤害到使用者的人身安全。为了要防止使用者的伤害，本发明也在电路板上区分为一次侧区域与二次侧区域。而一次侧区域上同时包括高电压(危险电压)、低电压，而二次侧区域则仅包括低电压。 换句话说，在电力线网络装置160中电路板的线路布局将电源转换器170、网络控制芯片 180区隔在电路板的一次侧区域，而将网络连接器195设计在电路板的二次侧区域。而一次侧区域与二次侧区域之间并没有直接的电性连接，而是利用以太网络信号耦合元件190来作为电路板一次侧区域与二次侧区域之间的信号的传递。请参照图4A，其所示为利用非隔离式交直流电源转换器所完成的电力线网络装置示意图。基本上，电力线网络装置160设计在单一电路板上，并且在电路板上区分出一次侧区域450与二次侧区域455。在电路板的表面上，一次侧区域450以及二次侧区域455之间完全电性隔离。也就是说，并没有任何的布局线路(layout trace)连接于一次侧区域450 以及二次侧区域455之间。再者，一次侧区域450以及二次侧区域455之间仅利用以太网络信号耦合元件来达成信号的传递。而以太网络信号耦合元件190可为一信号变压器(signal transformer)。如图4A所示，电源转换器170、网络控制芯片180皆设计在电路板的一次侧区域450上。电源转换器170中，电源插头106至网络控制芯片180之间连接了雷击保护器 405、共模扼流线圈410、桥式整流器415、高压电容420、交换式芯片425、缓冲器430、与电感 435。基本上，共模扼流线圈410用来消除线路上的共模电磁干扰信号，桥式整流器415以及高压电容420进行交直流电压转换以及稳压的功能。而交换式芯片425进行电压转换， 经由缓冲器430与电感435提供网络控制芯片180所需的直流电源(Vin)。而网络控制芯片180所产生的调变网络信号(S3)则经由雷击保护器450输出电源插座106。
同理，为了使得电路板符合安规的规范，一次侧区域450以及二次侧区域455必须相距一安全距离(D)以符合安规的规范。请参照图4B与图4C，其所示为电力线网络装置的电路板及其相关元件配置示意图。如图4B所示，电路板的尺寸为33mmX 55mm，且电路板上区分为一次侧区域450与二次侧区域455，一次侧区域450与二次侧区域455之间并没有布局线路直接的电性连接。一次侧区域450与二次侧区域455之间相隔一安全距离(D)。如图4C所示，电力线网络装置的相关元件安置于电路板之示意图。一次侧区域 450的电源转换器内具有一对电源接收端(+、_)连接至电源插座(未绘示)。再者，电源转换器170中的雷击保护器405、共模扼流线圈410、桥式整流器415、高压电容420、交换式芯片425、缓冲器430、与电感435，以及网络控制芯片180皆设置于一次侧区域450。而仅有网络连接器195设置于二次侧区域455。以太网络信号耦合元件190则跨越一次侧区域 450与二次侧区域455。由图4C可知，由于网络连接器195位于二次侧区域455，且该二次侧区域455并未有任何危险电压。因此，当电路板被绝缘外壳所包覆后，就算使用者接触到网络连接器195 中的导电材质(金属)以不会造成任何伤害。再者，请参照图5，其所示为以太网络信号耦合元件的电路图。其中，第一侧的信号端点至少包括TD+TD-、RD+、RD-信号端；第二侧的信号端点至少包括TX-、TX+、RX+、RX-信号端。当然，除了以上的信号端点之外，还可以包括其他信号端，例如CT信号端。再者，第一侧的信号端点可连接于一次侧区域450且第二侧信号端点可连接于二次侧区域455;或者， 第二侧的信号端点可连接于一次侧区域450且第一侧信号端点可连接于二次侧区域455。很明显地，一次侧区域450的信号端以及二次侧区域455的信号端彼此之间利用信号变压器来转换，并未相互接触，因此可以作为有效的耦合元件。同时，也可以防止一次侧区域450的危险电压传递至二次侧区域455，造成使用者的危害。再者，为了要让以太网络信号耦合单元190符合安规的规范，以太网络信号耦合单元190需要经过特别的设计。举例来说，图5中以太网络信号耦合单元190的信号线被隔离在A区域或者B区域中。为了要符合安规的规范。可将以太网络信号耦合单元190内 A区域的所有信号线利用漆包线来实现，而B区域的所有信号线利用三层绝缘线来实现。或者，可将以太网络信号耦合单元190内B区域的所有信号线利用漆包线来实现，而A区域的所有信号线利用三层绝缘线来实现。如此，即可有效达成安规隔离危险电压的目的。因此，本发明的优点是将非隔离式交直流电源转换器设计于电力线网络装置，并且利用最少的耦合元件(以太网络信号耦合单元)将高电压隔离于电路板的二次侧区域外，因此除了可以防止使用者受到伤害外还可以减少电路板的尺寸缩减电力线网络装置的体积。同时，由于本发明运用高速宽频IOMbps以上的网络控制芯片，因此更可达成高速电力线网络装置的用途。综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作各种之更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
权利要求
1.一种宽频电力线网络装置，包括一电路板，区分为一一次侧区域与一二次侧区域，且该一次侧区域与该二次侧区域间隔一第一距离；一电源转换器，配置于该电路板的该一次侧区域，该电源转换器具有一对电源接收端以接收一交流电源并转换为一直流电源；一网络控制芯片，配置于该电路板的该一次侧区域并接收该直流电源；一网络连接器，配置于该电路板的该二次侧区域并传递或接收一外部网络信号；以及一以太网络信号耦合元件，配置于该电路板的该一次侧区域与该二次侧区域之间，该以太网络信号耦合元件接收该二次侧区域的该外部网络信号并于该一次侧区域据以产生一内部网络信号，或者接收该一次侧区域的该内部网络信号并于该二次侧区域据以产生该外部网络信号；其中，该网络控制芯片接收该内部网络信号并转换为一调变网络信号后由该对电源接收端输出该电力线网络装置，或者接收由该对电源接收端输入的该调变网络信号并转换为该内部网络信号后传递至该以太网络信号耦合元件。
2.如权利要求I所述的宽频电力线网络装置，其中该网络连接器为一RJ45插座。
3.如权利要求I所述的宽频电力线网络装置，其中该电源转换器为一非隔离式交直流电源转换器。
4.如权利要求3所述的宽频电力线网络装置，其中该非隔离式交直流电源转换器包括连接于该对电源接收端与该网络控制芯片之间的一雷击保护器、一共模扼流线圈、一桥式整流器、一高压电容、一交换式芯片、一缓冲器与一电感。
5.如权利要求4所述的宽频电力线网络装置，其中该调变网络信号经由该雷击保护器输出该对电源接收端。
6.如权利要求I所述的宽频电力线网络装置，其中该第一距离为一安全距离，且该安全距离大于3mm。
7.如权利要求I所述的宽频电力线网络装置，其中该一次侧区域包括一危险电压，该二次侧区域未包括该危险电压，其中该危险电压为振幅大于42. 4V的交流电压或者大于 60V的直流电压。
8.如权利要求I所述的宽频电力线网络装置，其中该对电源接收端连接至一电源插座。
全文摘要
本发明公开了一种宽频电力线网络装置，包括一电路板，区分为一次侧区域与二次侧区域且间隔一第一距离；一电源转换器，配置于一次侧区域，具有一对电源接收端以接收交流电源并转换为直流电源；网络控制芯片，配置于一次侧区域并接收直流电源；网络连接器，配置于二次侧区域并传递或接收外部网络信号；以及以太网络信号耦合元件，配置于一次侧区域与二次侧区域之间，以太网络信号耦合元件接收二次侧区域的外部网络信号并于一次侧区域据以产生一内部网络信号；其中，网络控制芯片接收内部网络信号并转换为调变网络信号后由该对电源接收端输出。
文档编号H04B3/54GK102611480SQ201210051258
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月1日 优先权日2012年1月5日
发明者吴修武, 戴滋男, 胡承刚 申请人:明泰科技股份有限公司