基于PSIM仿真的有源濾波器設計

舒朝君， 吳天強， 羅春林， 羅 茜

（四川大學電氣工程學院，成都610065）

0 引 言

電子電路課程的實驗教學是工科類學生尤其是電類學生學習硬件設計的必備基礎，而如何豐富教學內容，提升教學質量是每位老師應當思考的重要問題［1-3］。針對傳統實驗教學內容單一、課程受實驗室場地限制和學生興趣不濃且受鍛煉不夠的缺陷，本文提出將實驗教學和科研項目相結合的思路，啟發學生運用電路仿真工具去分析復雜有趣的科研問題。為此，本文就科研問題的引出、解決思路、解決方案、仿真過程和驗證結果幾個環節進行展開，通過實驗和仿真相結合的方式鍛煉學生理論聯系實際的科研思維，豐富了教學內容，使得實驗教學更形象生動充滿趣味。

1 電力載波穿透實驗裝置

電力載波是指利用現有輸電線路，通過載波的方式將模擬或數字信號進行高頻傳輸的一種通信方式，有低頻電力載波和高頻電力載波的區分［4］。實驗中使用的是低頻低壓電力載波模塊，其同時具備載波發送和接收的功能，能夠和單片機直接連接并以串口通信的方式實現數據交互，模塊分全波傳輸型和過零傳輸型，其全波傳輸型載波模塊KQ-130E如圖1所示，主要參數見表1。

圖1 電力載波模塊KQ-130E

表1 KQ-130E主要參數

實驗過程中，載波模塊A與單片機a連接作為發送端，模塊B與單片機b組合作為接收端，按照圖2所示搭建實驗平臺，傳輸數據“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，得到實驗結果如圖3所示。

圖2 電力載波穿透實驗平臺示意圖

圖3 載波穿透實驗結果

實驗結果表明，若電力載波的工作頻率控制在150 kHz以下時，其傳輸距離遠，穿透能力強，基本上所有的傳統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，則當控制器檢測到來自遠方的電力載波觸發信號時，可使電源系統處于受控狀態，從而使系統面臨發生故障、崩潰甚至信息泄漏等安全隱患。

2 有源濾波器設計

增設濾波器是一種提高電源系統防觸發受控能力的有效思路，由于受電源體積和重量的限制，無源濾波器（Passive Filter，PF）在實現低頻信號的濾除上會顯得力不從心［5-6］。應用于電源EMI濾波的有源濾波器（Active Filter，AF）具有卓越的低頻濾除能力，能夠彌補PF的不足，其濾波原理是采樣噪聲信號，通過處理、放大，動態輸出一個和噪聲信號近乎等值反相的補償信號，其實質是為噪聲提供一個極低阻抗的內部回路，理想狀態下能夠達到負載端的噪聲為零［7-8］。

圖4所示給出了AF電路的模型及具體實現，考慮到電源體積的限制和信號檢測過程的方便性，采用的是基本有源濾波結構中的電流檢測電流補償型結構［9-10］。

圖4 AF電路

圖4（a）中IN（s）為噪聲電流，ZN、ZL為噪聲源阻抗和負載阻抗，A（s）為濾波器增益，Zout為濾波器等效輸出阻抗，Zinj為電流注入網絡（對應于圖4（b）中的Rinj和Cinj）的阻抗，注入網絡旨在將濾波器輸出電壓轉換成電流并反饋到主電路中［11-12］。實際應用中，為確保插入損耗足夠大（對應濾波能力足夠強），AF的設計需遵循阻抗極大不匹配原則［10］，即對于圖4（a）應滿足ZN?ZL，故增加電感LDM和電容CR，其中Z′N＝ZN＋ sLDM、Z′L＝ ZL∥（1 ／sCR），且滿足Z′N?Z′L。

圖4（b）具體電路由3大部分組成，包括噪聲信號檢測用電流互感器（Current Transformer，CT）電路①、噪聲電平放大用電路②和電流注入網絡③。使用原邊匝數為1，副邊匝數為n的CT實現對噪聲電流的檢測。CT在低頻時具有高通特性，其增益隨頻率的降低而減小，其下限截止頻率為：

式中：l為磁路有效長度，μ0為真空磁導率，μr為相對磁導率，Ae為磁芯有效截面積，因此通過增加Nn和Ae可設計滿足下限截止頻率要求的CT［13-14］。綜上，CT電路的輸入輸出關系：

設計中使用由運放組成的差分放大電路實現對CT輸出電壓的放大，考慮到運放帶負載的能力較弱，增加了圖中所示的甲乙類互補對稱功率放大電路以增強驅動能力，此時uout和uin之間具有以下關系：

圖4（b）中Rinj和Cinj組成的電流注入網絡用于連接電路②的輸出端和電力線。作為耦合電容Cinj將輸出電流耦合到電力線中，同時也起到隔離濾波器和主電路的作用，并防止工頻電流的流失，因此，Cinj通常選用高頻性能較好的電容［15］。作為電路②負載的一部分，Rinj、Cinj與Z′N、Z′L共同組成負載阻抗。由于ZCR很小，故Zload主要取決于Rinj和Cinj，即

電路③輸出電流iinj與輸入電壓uout間的關系由下式給出：

式中：ωinj＝1／RinjCinj＝2πfinj，為下限截止角頻率（也稱3 dB截止角頻率），設計時應確保其略低于式（1）中CT的下限頻率，即finj＜fL。

綜上，求得AF的輸入輸出應滿足：

3 仿真電路的搭建

圖5給出了電力載波模塊KQ-130E的電路結構，由二進制頻移鍵控（Binary Frequency Shift Keying，2FSK）調制解調器及其外圍電路組成。通過在PSIM

下搭建模塊的外圍電路，結合實驗條件下經示波器測量的各輸出波形，擬搭建電力載波的仿真模型。

圖5 KQ-130E外圍電路

當單片機與KQ-130E完成電路連接后持續向其發送數據，用示波器測得T1引腳的波形如圖6所示，其幅值為3.3V，兩種頻率的方波交替組成，而根據2FSK的定義可知這兩種頻率的方波分別代表單片機輸出的數字信號“0”和“1”。

圖6 載波波形T1

一方面，在PSIM中搭建圖5所示的電路?，使用輸出3.3 V，占空比為50%的方波電壓源作為輸入，測得L、N間的仿真電壓波形如圖7（a）所示。另一方面，在完成單片機和電力載波模塊的電路連接并上電運行后，用示波器測得KQ-130E的L、N間實驗波形如圖7（b）所示。圖7（a）、（b）的波形完全一致，表明圖5中電路?是作為載波發送用。

圖7 發送電路耦合波形（L、N線間）

對應地，在PSIM中同時完成電路?和?搭建及相互間的連接，組成信號發送和接收電路，測得接收端電壓波形IRX如圖8（a）所示，圖8（b）是實驗測得波形，兩者完全一致，證明電路?是作為KQ-130E載波接收用。

圖8 接收電路解耦波形IRX

根據圖5～8的分析及驗證結果，結合圖4（b）AF電路，搭建出電力載波濾波仿真電路模型如圖9所示，其中AF被置于載波發送電路和載波接收電路之間，濾波器的輸入In和輸出Out被串接在L線之間，而參考接地點Gnd與N線相連，這樣才能確保濾波器輸出與電力載波等大反相的補償信號。

圖9 濾波仿真電路

4 濾波過程及分析

電力載波濾波電路按照表2所示進行各元件的取值，另外取電感LDM＝180 μH，電容CR＝0.47 μF。

表2 各元件參數

圖10給出了圖9所示電力載波濾波電路的仿真結果，其中紅色曲線代表的uo＿1表示未加AF時載波接收電路的輸出電壓波形，而uo＿2則對應添加AF后的波形。圖10（a）-（c）對應整體及局部放大后的時域波形，而圖10（d）代表頻域下的uo＿1和uo＿2對比結果。

圖10 濾波仿真結果

圖10的仿真結果表明，在AF的作用下，載波輸出幅值從0.75 V下降到0.02 V，濾波衰減比為97.33%，作用十分明顯。而欲實現更大程度的衰減，可通過增大R2／R1實現，但實際應用中由于受運放增益帶寬的限制，其閉環放大倍數不能設置得過高，否則將導致失真現象的出現。因此，為進一步抑制電力載波，圖11給出了優化設計方案，通過級聯相同結構的AF，以串聯的方式實現濾波能力的增強。

圖11 濾波能力增強電路

圖11中以Up-p＝5 V的正弦交流電壓源作為噪聲源，50 Ω電阻作為噪聲源阻抗和負載阻抗，測試濾波頻率在10～200 kHz之間變化時無源濾波（即僅LDM和CR作用時）、單個AF加無源濾波及兩個AF加無源濾波的仿真對比，得到圖12所示結果。其中縱坐標由濾波后電路的輸出電壓與濾波前求比值并取對數后乘以20得到，因此以分貝表示，代表濾波器的插入增益，對于同一頻率，幅值越低表示濾波能力越強。

圖12 不同信號頻率下的濾波對比結果

將圖11所示串聯結構的AF用于實際中KQ-130E間通信信號的濾除，得到結果如圖13所示，其顯示為亂碼，表明在本文AF的作用下電力載波模塊間的通信受到了抑制，接收模塊獲得的信號電平過低，無法解耦出正常傳輸的信號而顯示出亂碼，從而有效解決了電源系統受觸發受控的安全威脅。

圖13 濾波后的KQ-130E間通信結果

5 結 語

教學和科研相結合是提高教學質量和培養學生創新能力的有效途徑，電路仿真軟件的熟練使用對于提高學生的學習興趣和增強對專業知識的掌握程度更是起到不可替代的重要作用。因此，在實際中鼓勵學生運用軟件工具去分析解決部分科研問題，再根據實驗測試進行驗證比較，對于提升本科教學質量、提高學生綜合素質和培養其科研能力都將具有積極的作用。