基于電源系統(tǒng)信息泄漏問題的EMI濾波器設(shè)計

舒朝君，羅 茜，羅春林，吳天強(qiáng)

基于電源系統(tǒng)信息泄漏問題的EMI濾波器設(shè)計

舒朝君，羅 茜，羅春林，吳天強(qiáng)

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

針對實驗分析發(fā)現(xiàn)的低頻電力載波能夠穿透EMI濾波器和整流橋，從而使電源系統(tǒng)面臨受控威脅，進(jìn)而泄漏負(fù)載設(shè)備敏感信息這一問題，結(jié)合有源濾波的思想，提出了一種混合濾波的電路拓?fù)洹Ｍㄟ^安裝在AC-DC變換器的輸入端，用以彌補(bǔ)傳統(tǒng)無源EMI濾波器在10 kHz~150 kHz 這一低頻段插入損耗不足的缺陷，增強(qiáng)電源系統(tǒng)對信息泄漏的防護(hù)能力。仿真和傳導(dǎo)測試結(jié)果表明，該電路在低頻段的平均插損達(dá)到30 dB，對提高電源系統(tǒng)的信息安全具有十分明顯的作用。

電力載波；電源受控；信息泄漏；EMI濾波；信息安全

隨著微電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力電子系統(tǒng)正朝著微型化、集成化和高頻化的方向發(fā)展。在電磁干擾問題日益凸顯的同時，電源系統(tǒng)也存在著信息泄漏的安全隱患。實驗發(fā)現(xiàn)，低頻電力載波（幾十kHz~100多kHz）能夠穿透電源濾波器、增強(qiáng)型紅黑隔離插座以及整流橋，因此若包含控制器的電源存在硬木馬，則控制器可被電力載波遠(yuǎn)程激發(fā)而進(jìn)入受控狀態(tài)，并通過調(diào)制開關(guān)頻率使系統(tǒng)發(fā)生故障、崩潰，甚至信息泄漏等安全隱患。設(shè)置EMI濾波器是一種有效的防護(hù)手段，但傳統(tǒng)的濾波器關(guān)注的是對 150 kHz~30 MHz頻段的噪聲衰減，主要針對電磁干擾問題，無法對來自電網(wǎng)側(cè)低頻惡意觸發(fā)信號的屏蔽和

開關(guān)頻率基波及低次諧波的濾除。通過級聯(lián)有源濾波器，以混合濾波的方式增強(qiáng)對低頻的濾除能力是一種有效的解決方案，但大多現(xiàn)有技術(shù)專注于解決500 kHz以上共模噪聲的衰減，少數(shù)文獻(xiàn)談到對差模噪聲的濾除，且其應(yīng)用又限于DC-DC及DC-AC的直流端環(huán)境下，其濾波范圍為150 kHz~500 kHz，鮮有提及AC-DC輸入端條件下對低于150 kHz噪聲的濾除。因此，在分析了電源系統(tǒng)泄漏負(fù)載設(shè)備敏感信息的途徑后，對有源EMI濾波器的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比、分析及建模，設(shè)計了用于反激開關(guān)電源輸入端的濾波器，旨在增強(qiáng)其對低頻的濾除能力，提高電源系統(tǒng)的安全性能。

1 電源系統(tǒng)信息泄漏問題分析

1.1 電力載波穿透實驗

電力載波通信（power line com-munication，PLC），是指利用現(xiàn)有輸電線路，通過載波的方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高頻傳輸?shù)囊环N通信方式，有低頻電力載波和高頻電力載波的區(qū)分[1]。實驗中使用低頻低壓電力載波模塊，其同時具備載波發(fā)送和接收的功能，能夠和單片機(jī)直接連接，并以串口通信的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，模塊分全波傳輸和過零傳輸。其全波傳輸型載波模塊主要參數(shù)見表1。

表1 電力載波模塊參數(shù)

載波模塊A與單片機(jī)a連接作為發(fā)送端，模塊B與單片機(jī)b組合作為接收端（圖1），傳輸數(shù)據(jù)“HELLO TEMPEST!”通過紅黑隔離插座、電源濾波器以及整流橋等路徑以測試載波信號的穿透效果。

實驗結(jié)果表明，若電力載波的工作頻率控制在150 kHz以下時，其傳輸距離遠(yuǎn)，穿透能力強(qiáng)，基本上所有的傳統(tǒng)型紅黑隔離電源都無法阻擋如此低頻率的電力載波。因此，若電源控制器本身存在惡意植入的硬木馬，則當(dāng)控制器檢測到來自遠(yuǎn)方的電力載波觸發(fā)信號時，可使電源系統(tǒng)處于受控狀態(tài)，從而使系統(tǒng)面臨發(fā)生故障、崩潰，甚至信息泄漏等安全隱患。

圖1 載波信號穿透實驗

1.2 開關(guān)頻率傳導(dǎo)特性

開關(guān)電源在正常工作時，其開關(guān)頻率的倍頻諧波將通過電源線以共模和差模的方式向電網(wǎng)傳導(dǎo)注入，形成傳導(dǎo)干擾。實驗中采用圖2所示電路連接測量普通單端反激式開關(guān)電源的傳導(dǎo)的電磁干擾（EMI）發(fā)射，得到圖3所示干擾波形，其中干擾幅值是以開關(guān)頻率及其倍頻的方式體現(xiàn)。與電磁兼容領(lǐng)域所關(guān)心的傳導(dǎo)干擾不同，這里的傳導(dǎo)信號是可攜帶電力電子設(shè)備的敏感信息和行為狀態(tài)，通過電網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。因此，若電源系統(tǒng)開關(guān)頻率根據(jù)受電設(shè)備的關(guān)鍵信息做改變，則敏感信息可實現(xiàn)從負(fù)載設(shè)備向電力網(wǎng)以較強(qiáng)的基波頻譜形式進(jìn)行泄漏，通過頻譜分析，被解調(diào)還原出來，具體過程如圖4所示。

實際中，敏感信息設(shè)備的輸入端和電網(wǎng)之間通常會增設(shè)隔離濾波裝置以有效降低設(shè)備之間的傳導(dǎo)泄漏發(fā)射，但這對開關(guān)頻率的電力電子系統(tǒng)基波及其諧波只能起到疏導(dǎo)作用，而不能消除，通過電流探頭等手段仍能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)端偵測。因此，基于電源開關(guān)頻率造成的信息泄漏具有隱蔽性強(qiáng)和防護(hù)難的特點，為防止信息泄漏，設(shè)計具有更強(qiáng)濾波能力的EMI濾波器，拓寬其濾波范圍150 kHz~30 MHz，增強(qiáng)對10 kHz~150 kHz之間的電源噪聲和電力載波觸發(fā)信號的衰減作用具有十分重要的意義。

圖2 EMI傳導(dǎo)測試示意圖

圖3 電力電子系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾波形

圖4 基于傳導(dǎo)干擾的電力電子系統(tǒng)信息泄漏示意圖

2 EMI濾波器設(shè)計

本文針對一臺交流輸入100~240 V/50 Hz、1.5 A（最大值），直流輸出15 V、2.5 A的單端反激式AC/DC開關(guān)電源進(jìn)行改善EMI設(shè)計。重點對有源EMI濾波器（簡稱AEF）的拓?fù)溥M(jìn)行了分析和改進(jìn)，通過與無源EMI濾波器（簡稱PEF）配合使用，以混合EMI濾波器（簡稱HEF）的方式實現(xiàn)對電源傳導(dǎo)EMI噪聲更好抑制。

2.1 濾波拓?fù)溥x擇

圖5是傳統(tǒng)PEF電路的基本結(jié)構(gòu)，由共模電感、共模電容（也稱Y電容）和差模電容（也稱X電容）等主要元件組成。PEF對較高頻率的噪聲濾除效果顯著，而針對150 kHz以下低頻段的噪聲衰減則力不從心，只能通過增大電感和電容值來提高其插入損耗，但這樣做的結(jié)果是使電源過于龐大和笨重，與開關(guān)電源體積小、重量輕的要求不相符合。

圖5 PEF電路結(jié)構(gòu)

AEF具有卓越的低頻濾除能力，能夠彌補(bǔ)無源濾波器的不足。AEF濾波原理：采樣噪聲信號，通過處理、放大，動態(tài)輸出一個和噪聲信號近乎等大、反相的補(bǔ)償信號，其實質(zhì)是為噪聲提供一個極低阻抗的內(nèi)部回路，理想狀態(tài)下能夠達(dá)到負(fù)載端的噪聲為零[2-4]。通常AEF分為電流檢測電流補(bǔ)償、電壓檢測電流補(bǔ)償、電流檢測電壓補(bǔ)償、電壓檢測電壓補(bǔ)償4種結(jié)構(gòu)，見圖6[5-6]。其中N()為噪聲電流，N()、L()為噪聲源阻抗和負(fù)載阻抗，()為濾波器增益，C()和C()分別為補(bǔ)償電流和電壓。

圖6 AEF基本結(jié)構(gòu)

圖7 改進(jìn)后的AEF電路

圖8為混合EMI濾波器的測試布局和電路結(jié)構(gòu)，其中PEF主要實現(xiàn)對電源噪聲高頻部分的衰減，而AEF具備卓越的低頻濾波能力，二者相互協(xié)調(diào)、彼此配合，以實現(xiàn)EMI濾波頻帶的拓寬。

圖8 混合EMI濾波器原理框圖

2.2 噪聲檢測環(huán)節(jié)設(shè)計

使用原邊匝數(shù)為1，副邊匝數(shù)為的電流互感器（CT）實現(xiàn)對EMI噪聲電流的檢測。電流互感器在低頻時具有高通特性，其增益隨頻率的降低而減小，其下限截止頻率L由下式（2）確定：

其中，為磁路有效長度，0為真空磁導(dǎo)率，r為相對磁導(dǎo)率，e為磁芯有效截面積。

通過增加和e可設(shè)計滿足下限截止頻率要求的電流互感器[7-8]。

圖9為噪聲電流檢測電路，其中圖9(a)和(b)分別是電流互感器的低頻等效模型及其變換后的等效電路，CT為二次繞組的勵磁電感。在使用電流互感器檢測EMI噪聲時，為避免對工頻電流的誤測量而造成電源功率流失，圖9(c)所示的噪聲電流檢測電路中的二階高通有源濾波器能避免對工頻電流的影響。

2.3 驅(qū)動放大環(huán)節(jié)

為了能準(zhǔn)確地放大圖9中檢測電路的輸出信號，考慮到帶寬、響應(yīng)速度和驅(qū)動能力等因素，選用THS4001運算放大器將測量噪聲電壓進(jìn)行如圖10所示的同相比例放大，以確保反饋環(huán)路的增益。鑒于運放的輸出驅(qū)動能力有限，無法實現(xiàn)對噪聲干擾的高衰減，為此增加甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路以增強(qiáng)其輸出驅(qū)動能力。

2.4 電流注入環(huán)節(jié)

注入環(huán)節(jié)輸出電流與電壓放大環(huán)節(jié)輸出電壓的關(guān)系由式（6）給出：

2.5 濾波電路實現(xiàn)

圖11為整個混合EMI濾波器電路，由無源濾波電路和有源濾波電路相級聯(lián)組成，其中有源濾波部分對低頻噪聲干擾起主要濾除作用，并同時彌補(bǔ)無源濾波環(huán)節(jié)對電源傳導(dǎo)干擾的差模噪聲（150 kHz~500 kHz）部分濾除的不足。由式（3）、（4）、（6）得噪聲電流與補(bǔ)償電流間的傳遞函數(shù)如下：

3 電路仿真和實驗結(jié)果

取電流互感器副邊匝數(shù)= 100、CT= 25 mH，運放及三極管工作電壓為±15 V、其余元件取值見表2。

表2 各元件取值

3.1 電力載波濾除仿真實驗

根據(jù)CISPR標(biāo)準(zhǔn)，取N=L=50 Ω、DM=180 μH、R=0.22 μF。當(dāng)傳輸正弦信號為5 V、頻率為127 kHz時，有源濾波器接入前后，到達(dá)負(fù)載端時信號由0.212 V (Vo_1)衰減至0.0195V(Vo_2)，衰減幅度90.8%，如圖12所示。

圖12 電力載波濾除測試

3.2 開關(guān)電源噪聲干擾濾除仿真

將設(shè)計的有源濾波器用于準(zhǔn)諧振反激PFC變換器中由電源噪聲引起的輸入電流紋波的濾除，得到圖13所示仿真結(jié)果，其對電流紋波的抑制效果達(dá)到約85.6%。

圖13 準(zhǔn)諧振反激PFC電源濾波結(jié)果

3.3 PEF與AEF插損對比

式（8）給出了濾波器插入損耗的計算公式，1為濾波器接入前從噪聲源傳到負(fù)載的電壓，2為濾波器接入后傳到負(fù)載的電壓。

圖14為傳統(tǒng)PEF（電感電容取典型值，即Cx1= Cx2=0.1μF，Cy1=Cy2=4.7 nF，Lcm=5 mH）和所設(shè)計的AEF在10 kHz~150 kHz頻段的插損對比曲線。相比于無源濾波器平均10 dB的插入損耗，有源濾波器為22 dB，增加明顯。

3.4 傳導(dǎo)測試實驗結(jié)果

根據(jù)圖11搭建濾波器電路，按圖2電路配置測量本文所用開關(guān)電源的傳導(dǎo)EMI干擾，測試結(jié)果見圖15。與無濾波器作用相比，引入PEF后電源基本達(dá)到傳導(dǎo)EMI測試標(biāo)準(zhǔn)，但對處于較低頻段的開關(guān)頻率基波及其二次諧波作用不甚明顯，不能解決基于開關(guān)頻率調(diào)制造成的信息泄漏問題。在PEF基礎(chǔ)上增加AEF得到結(jié)果如圖15（c），其對約1 MHz以下頻段的EMI噪聲有進(jìn)一步的抑制作用，且開關(guān)頻率的基波及二、三次諧波均受到很大衰減。結(jié)果證實本文所設(shè)計AEF在提高電源系統(tǒng)的信息安全方面具有明顯的作用。

圖15 傳導(dǎo)EMI測試結(jié)果

4 結(jié)論

基于PSIM的電路仿真和傳導(dǎo)EMI測試結(jié)果均表明，所設(shè)計的混合濾波器能夠?qū)﹄娫聪到y(tǒng)信息泄漏起到有效的防護(hù)作用，這對提高銀行、軍事部門以及情報機(jī)構(gòu)等單位的重要設(shè)備信息安全具有十分重要的意義。

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Design on EMI filter for information leakage problems of power supply system

SHU Chaojun, LUO Xi, LUO Chunlin, WU Tianqiang

(College of Electrical Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In view of the problem that the low-frequency power carrier found in the experiment can penetrate EMI filter and rectifier bridge, which makes the power supply system face the controlled threat, and then leaks the sensitive information of load equipment, a hybrid filter circuit topology is proposed based on the idea of the active filter. The input installed at the AC-DC converter is adopted to compensate for the insufficient insertion loss in the low frequency band of from 10 kHz to 150 kHz in the traditional passive EMI filter, and enhance the protection capability of power system against information leakage. The simulation and conduction test results show that the average insertion loss of the circuit in low frequency band reaches 30 dB, which has a very obvious effect on improving the information security of power supply system.

power carrier; controlled power; information leakage; EMI filtering; information security

TN713

A

1002-4956(2019)07-0066-06

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.018

2019-01-01

四川大學(xué)橫向科技項目（52680016005Z）

舒朝君（1962—），女，四川成都，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為檢測技術(shù)及其自動化裝置、電工電子新技術(shù). E-mail: xixiqianqian96@163.com。

羅茜（1996—），女，四川內(nèi)江，碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電及其控制技術(shù).