基于电源系统信息泄漏问题的EMI滤波器设计

舒朝君，罗 茜，罗春林，吴天强

基于电源系统信息泄漏问题的EMI滤波器设计

舒朝君，罗 茜，罗春林，吴天强

（四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065）

针对实验分析发现的低频电力载波能够穿透EMI滤波器和整流桥，从而使电源系统面临受控威胁，进而泄漏负载设备敏感信息这一问题，结合有源滤波的思想，提出了一种混合滤波的电路拓扑。通过安装在AC-DC变换器的输入端，用以弥补传统无源EMI滤波器在10 kHz~150 kHz 这一低频段插入损耗不足的缺陷，增强电源系统对信息泄漏的防护能力。仿真和传导测试结果表明，该电路在低频段的平均插损达到30 dB，对提高电源系统的信息安全具有十分明显的作用。

电力载波；电源受控；信息泄漏；EMI滤波；信息安全

随着微电子技术和数字控制技术的不断进步，电力电子系统正朝着微型化、集成化和高频化的方向发展。在电磁干扰问题日益凸显的同时，电源系统也存在着信息泄漏的安全隐患。实验发现，低频电力载波（几十kHz~100多kHz）能够穿透电源滤波器、增强型红黑隔离插座以及整流桥，因此若包含控制器的电源存在硬木马，则控制器可被电力载波远程激发而进入受控状态，并通过调制开关频率使系统发生故障、崩溃，甚至信息泄漏等安全隐患。设置EMI滤波器是一种有效的防护手段，但传统的滤波器关注的是对 150 kHz~30 MHz频段的噪声衰减，主要针对电磁干扰问题，无法对来自电网侧低频恶意触发信号的屏蔽和

开关频率基波及低次谐波的滤除。通过级联有源滤波器，以混合滤波的方式增强对低频的滤除能力是一种有效的解决方案，但大多现有技术专注于解决500 kHz以上共模噪声的衰减，少数文献谈到对差模噪声的滤除，且其应用又限于DC-DC及DC-AC的直流端环境下，其滤波范围为150 kHz~500 kHz，鲜有提及AC-DC输入端条件下对低于150 kHz噪声的滤除。因此，在分析了电源系统泄漏负载设备敏感信息的途径后，对有源EMI滤波器的电路结构进行了对比、分析及建模，设计了用于反激开关电源输入端的滤波器，旨在增强其对低频的滤除能力，提高电源系统的安全性能。

1 电源系统信息泄漏问题分析

1.1 电力载波穿透实验

电力载波通信（power line com-munication，PLC），是指利用现有输电线路，通过载波的方式将模拟或数字信号进行高频传输的一种通信方式，有低频电力载波和高频电力载波的区分[1]。实验中使用低频低压电力载波模块，其同时具备载波发送和接收的功能，能够和单片机直接连接，并以串口通信的方式实现数据交互，模块分全波传输和过零传输。其全波传输型载波模块主要参数见表1。

表1 电力载波模块参数

载波模块A与单片机a连接作为发送端，模块B与单片机b组合作为接收端（图1），传输数据“HELLO TEMPEST!”通过红黑隔离插座、电源滤波器以及整流桥等路径以测试载波信号的穿透效果。

实验结果表明，若电力载波的工作频率控制在150 kHz以下时，其传输距离远，穿透能力强，基本上所有的传统型红黑隔离电源都无法阻挡如此低频率的电力载波。因此，若电源控制器本身存在恶意植入的硬木马，则当控制器检测到来自远方的电力载波触发信号时，可使电源系统处于受控状态，从而使系统面临发生故障、崩溃，甚至信息泄漏等安全隐患。

图1 载波信号穿透实验

1.2 开关频率传导特性

开关电源在正常工作时，其开关频率的倍频谐波将通过电源线以共模和差模的方式向电网传导注入，形成传导干扰。实验中采用图2所示电路连接测量普通单端反激式开关电源的传导的电磁干扰（EMI）发射，得到图3所示干扰波形，其中干扰幅值是以开关频率及其倍频的方式体现。与电磁兼容领域所关心的传导干扰不同，这里的传导信号是可携带电力电子设备的敏感信息和行为状态，通过电网实现远距离传输。因此，若电源系统开关频率根据受电设备的关键信息做改变，则敏感信息可实现从负载设备向电力网以较强的基波频谱形式进行泄漏，通过频谱分析，被解调还原出来，具体过程如图4所示。

实际中，敏感信息设备的输入端和电网之间通常会增设隔离滤波装置以有效降低设备之间的传导泄漏发射，但这对开关频率的电力电子系统基波及其谐波只能起到疏导作用，而不能消除，通过电流探头等手段仍能够实现远端侦测。因此，基于电源开关频率造成的信息泄漏具有隐蔽性强和防护难的特点，为防止信息泄漏，设计具有更强滤波能力的EMI滤波器，拓宽其滤波范围150 kHz~30 MHz，增强对10 kHz~150 kHz之间的电源噪声和电力载波触发信号的衰减作用具有十分重要的意义。

图2 EMI传导测试示意图

图3 电力电子系统传导干扰波形

图4 基于传导干扰的电力电子系统信息泄漏示意图

2 EMI滤波器设计

本文针对一台交流输入100~240 V/50 Hz、1.5 A（最大值），直流输出15 V、2.5 A的单端反激式AC/DC开关电源进行改善EMI设计。重点对有源EMI滤波器（简称AEF）的拓扑进行了分析和改进，通过与无源EMI滤波器（简称PEF）配合使用，以混合EMI滤波器（简称HEF）的方式实现对电源传导EMI噪声更好抑制。

2.1 滤波拓扑选择

图5是传统PEF电路的基本结构，由共模电感、共模电容（也称Y电容）和差模电容（也称X电容）等主要元件组成。PEF对较高频率的噪声滤除效果显著，而针对150 kHz以下低频段的噪声衰减则力不从心，只能通过增大电感和电容值来提高其插入损耗，但这样做的结果是使电源过于庞大和笨重，与开关电源体积小、重量轻的要求不相符合。

图5 PEF电路结构

AEF具有卓越的低频滤除能力，能够弥补无源滤波器的不足。AEF滤波原理：采样噪声信号，通过处理、放大，动态输出一个和噪声信号近乎等大、反相的补偿信号，其实质是为噪声提供一个极低阻抗的内部回路，理想状态下能够达到负载端的噪声为零[2-4]。通常AEF分为电流检测电流补偿、电压检测电流补偿、电流检测电压补偿、电压检测电压补偿4种结构，见图6[5-6]。其中N()为噪声电流，N()、L()为噪声源阻抗和负载阻抗，()为滤波器增益，C()和C()分别为补偿电流和电压。

图6 AEF基本结构

图7 改进后的AEF电路

图8为混合EMI滤波器的测试布局和电路结构，其中PEF主要实现对电源噪声高频部分的衰减，而AEF具备卓越的低频滤波能力，二者相互协调、彼此配合，以实现EMI滤波频带的拓宽。

图8 混合EMI滤波器原理框图

2.2 噪声检测环节设计

使用原边匝数为1，副边匝数为的电流互感器（CT）实现对EMI噪声电流的检测。电流互感器在低频时具有高通特性，其增益随频率的降低而减小，其下限截止频率L由下式（2）确定：

其中，为磁路有效长度，0为真空磁导率，r为相对磁导率，e为磁芯有效截面积。

通过增加和e可设计满足下限截止频率要求的电流互感器[7-8]。

图9为噪声电流检测电路，其中图9(a)和(b)分别是电流互感器的低频等效模型及其变换后的等效电路，CT为二次绕组的励磁电感。在使用电流互感器检测EMI噪声时，为避免对工频电流的误测量而造成电源功率流失，图9(c)所示的噪声电流检测电路中的二阶高通有源滤波器能避免对工频电流的影响。

2.3 驱动放大环节

为了能准确地放大图9中检测电路的输出信号，考虑到带宽、响应速度和驱动能力等因素，选用THS4001运算放大器将测量噪声电压进行如图10所示的同相比例放大，以确保反馈环路的增益。鉴于运放的输出驱动能力有限，无法实现对噪声干扰的高衰减，为此增加甲乙类互补对称功率放大电路以增强其输出驱动能力。

2.4 电流注入环节

注入环节输出电流与电压放大环节输出电压的关系由式（6）给出：

2.5 滤波电路实现

图11为整个混合EMI滤波器电路，由无源滤波电路和有源滤波电路相级联组成，其中有源滤波部分对低频噪声干扰起主要滤除作用，并同时弥补无源滤波环节对电源传导干扰的差模噪声（150 kHz~500 kHz）部分滤除的不足。由式（3）、（4）、（6）得噪声电流与补偿电流间的传递函数如下：

3 电路仿真和实验结果

取电流互感器副边匝数= 100、CT= 25 mH，运放及三极管工作电压为±15 V、其余元件取值见表2。

表2 各元件取值

3.1 电力载波滤除仿真实验

根据CISPR标准，取N=L=50 Ω、DM=180 μH、R=0.22 μF。当传输正弦信号为5 V、频率为127 kHz时，有源滤波器接入前后，到达负载端时信号由0.212 V (Vo_1)衰减至0.0195V(Vo_2)，衰减幅度90.8%，如图12所示。

图12 电力载波滤除测试

3.2 开关电源噪声干扰滤除仿真

将设计的有源滤波器用于准谐振反激PFC变换器中由电源噪声引起的输入电流纹波的滤除，得到图13所示仿真结果，其对电流纹波的抑制效果达到约85.6%。

图13 准谐振反激PFC电源滤波结果

3.3 PEF与AEF插损对比

式（8）给出了滤波器插入损耗的计算公式，1为滤波器接入前从噪声源传到负载的电压，2为滤波器接入后传到负载的电压。

图14为传统PEF（电感电容取典型值，即Cx1= Cx2=0.1μF，Cy1=Cy2=4.7 nF，Lcm=5 mH）和所设计的AEF在10 kHz~150 kHz频段的插损对比曲线。相比于无源滤波器平均10 dB的插入损耗，有源滤波器为22 dB，增加明显。

3.4 传导测试实验结果

根据图11搭建滤波器电路，按图2电路配置测量本文所用开关电源的传导EMI干扰，测试结果见图15。与无滤波器作用相比，引入PEF后电源基本达到传导EMI测试标准，但对处于较低频段的开关频率基波及其二次谐波作用不甚明显，不能解决基于开关频率调制造成的信息泄漏问题。在PEF基础上增加AEF得到结果如图15（c），其对约1 MHz以下频段的EMI噪声有进一步的抑制作用，且开关频率的基波及二、三次谐波均受到很大衰减。结果证实本文所设计AEF在提高电源系统的信息安全方面具有明显的作用。

图15 传导EMI测试结果

4 结论

基于PSIM的电路仿真和传导EMI测试结果均表明，所设计的混合滤波器能够对电源系统信息泄漏起到有效的防护作用，这对提高银行、军事部门以及情报机构等单位的重要设备信息安全具有十分重要的意义。

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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

四川大学横向科技项目（52680016005Z）

舒朝君（1962—），女，四川成都，副教授，硕士生导师，研究方向为检测技术及其自动化装置、电工电子新技术. E-mail: xixiqianqian96@163.com。

罗茜（1996—），女，四川内江，硕士研究生，研究方向为新能源发电及其控制技术.