基于PSIM仿真的有源滤波器设计

舒朝君， 吴天强， 罗春林， 罗 茜

（四川大学电气工程学院，成都610065）

0 引 言

电子电路课程的实验教学是工科类学生尤其是电类学生学习硬件设计的必备基础，而如何丰富教学内容，提升教学质量是每位老师应当思考的重要问题［1-3］。针对传统实验教学内容单一、课程受实验室场地限制和学生兴趣不浓且受锻炼不够的缺陷，本文提出将实验教学和科研项目相结合的思路，启发学生运用电路仿真工具去分析复杂有趣的科研问题。为此，本文就科研问题的引出、解决思路、解决方案、仿真过程和验证结果几个环节进行展开，通过实验和仿真相结合的方式锻炼学生理论联系实际的科研思维，丰富了教学内容，使得实验教学更形象生动充满趣味。

1 电力载波穿透实验装置

电力载波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［4］。实验中使用的是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，模块分全波传输型和过零传输型，其全波传输型载波模块KQ-130E如图1所示，主要参数见表1。

图1 电力载波模块KQ-130E

表1 KQ-130E主要参数

实验过程中，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，按照图2所示搭建实验平台，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，得到实验结果如图3所示。

图2 电力载波穿透实验平台示意图

图3 载波穿透实验结果

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。

2 有源滤波器设计

增设滤波器是一种提高电源系统防触发受控能力的有效思路，由于受电源体积和重量的限制，无源滤波器（Passive Filter，PF）在实现低频信号的滤除上会显得力不从心［5-6］。应用于电源EMI滤波的有源滤波器（Active Filter，AF）具有卓越的低频滤除能力，能够弥补PF的不足，其滤波原理是采样噪声信号，通过处理、放大，动态输出一个和噪声信号近乎等值反相的补偿信号，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［7-8］。

图4所示给出了AF电路的模型及具体实现，考虑到电源体积的限制和信号检测过程的方便性，采用的是基本有源滤波结构中的电流检测电流补偿型结构［9-10］。

图4 AF电路

图4（a）中IN（s）为噪声电流，ZN、ZL为噪声源阻抗和负载阻抗，A（s）为滤波器增益，Zout为滤波器等效输出阻抗，Zinj为电流注入网络（对应于图4（b）中的Rinj和Cinj）的阻抗，注入网络旨在将滤波器输出电压转换成电流并反馈到主电路中［11-12］。实际应用中，为确保插入损耗足够大（对应滤波能力足够强），AF的设计需遵循阻抗极大不匹配原则［10］，即对于图4（a）应满足ZN≫ZL，故增加电感LDM和电容CR，其中Z′N＝ZN＋ sLDM、Z′L＝ ZL∥（1 ／sCR），且满足Z′N≫Z′L。

图4（b）具体电路由3大部分组成，包括噪声信号检测用电流互感器（Current Transformer，CT）电路①、噪声电平放大用电路②和电流注入网络③。使用原边匝数为1，副边匝数为n的CT实现对噪声电流的检测。CT在低频时具有高通特性，其增益随频率的降低而减小，其下限截止频率为：

式中：l为磁路有效长度，μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率，Ae为磁芯有效截面积，因此通过增加Nn和Ae可设计满足下限截止频率要求的CT［13-14］。综上，CT电路的输入输出关系：

设计中使用由运放组成的差分放大电路实现对CT输出电压的放大，考虑到运放带负载的能力较弱，增加了图中所示的甲乙类互补对称功率放大电路以增强驱动能力，此时uout和uin之间具有以下关系：

图4（b）中Rinj和Cinj组成的电流注入网络用于连接电路②的输出端和电力线。作为耦合电容Cinj将输出电流耦合到电力线中，同时也起到隔离滤波器和主电路的作用，并防止工频电流的流失，因此，Cinj通常选用高频性能较好的电容［15］。作为电路②负载的一部分，Rinj、Cinj与Z′N、Z′L共同组成负载阻抗。由于ZCR很小，故Zload主要取决于Rinj和Cinj，即

电路③输出电流iinj与输入电压uout间的关系由下式给出：

式中：ωinj＝1／RinjCinj＝2πfinj，为下限截止角频率（也称3 dB截止角频率），设计时应确保其略低于式（1）中CT的下限频率，即finj＜fL。

综上，求得AF的输入输出应满足：

3 仿真电路的搭建

图5给出了电力载波模块KQ-130E的电路结构，由二进制频移键控（Binary Frequency Shift Keying，2FSK）调制解调器及其外围电路组成。通过在PSIM

下搭建模块的外围电路，结合实验条件下经示波器测量的各输出波形，拟搭建电力载波的仿真模型。

图5 KQ-130E外围电路

当单片机与KQ-130E完成电路连接后持续向其发送数据，用示波器测得T1引脚的波形如图6所示，其幅值为3.3V，两种频率的方波交替组成，而根据2FSK的定义可知这两种频率的方波分别代表单片机输出的数字信号“0”和“1”。

图6 载波波形T1

一方面，在PSIM中搭建图5所示的电路Ⓐ，使用输出3.3 V，占空比为50%的方波电压源作为输入，测得L、N间的仿真电压波形如图7（a）所示。另一方面，在完成单片机和电力载波模块的电路连接并上电运行后，用示波器测得KQ-130E的L、N间实验波形如图7（b）所示。图7（a）、（b）的波形完全一致，表明图5中电路Ⓐ是作为载波发送用。

图7 发送电路耦合波形（L、N线间）

对应地，在PSIM中同时完成电路Ⓐ和Ⓑ搭建及相互间的连接，组成信号发送和接收电路，测得接收端电压波形IRX如图8（a）所示，图8（b）是实验测得波形，两者完全一致，证明电路Ⓑ是作为KQ-130E载波接收用。

图8 接收电路解耦波形IRX

根据图5～8的分析及验证结果，结合图4（b）AF电路，搭建出电力载波滤波仿真电路模型如图9所示，其中AF被置于载波发送电路和载波接收电路之间，滤波器的输入In和输出Out被串接在L线之间，而参考接地点Gnd与N线相连，这样才能确保滤波器输出与电力载波等大反相的补偿信号。

图9 滤波仿真电路

4 滤波过程及分析

电力载波滤波电路按照表2所示进行各元件的取值，另外取电感LDM＝180 μH，电容CR＝0.47 μF。

表2 各元件参数

图10给出了图9所示电力载波滤波电路的仿真结果，其中红色曲线代表的uo＿1表示未加AF时载波接收电路的输出电压波形，而uo＿2则对应添加AF后的波形。图10（a）-（c）对应整体及局部放大后的时域波形，而图10（d）代表频域下的uo＿1和uo＿2对比结果。

图10 滤波仿真结果

图10的仿真结果表明，在AF的作用下，载波输出幅值从0.75 V下降到0.02 V，滤波衰减比为97.33%，作用十分明显。而欲实现更大程度的衰减，可通过增大R2／R1实现，但实际应用中由于受运放增益带宽的限制，其闭环放大倍数不能设置得过高，否则将导致失真现象的出现。因此，为进一步抑制电力载波，图11给出了优化设计方案，通过级联相同结构的AF，以串联的方式实现滤波能力的增强。

图11 滤波能力增强电路

图11中以Up-p＝5 V的正弦交流电压源作为噪声源，50 Ω电阻作为噪声源阻抗和负载阻抗，测试滤波频率在10～200 kHz之间变化时无源滤波（即仅LDM和CR作用时）、单个AF加无源滤波及两个AF加无源滤波的仿真对比，得到图12所示结果。其中纵坐标由滤波后电路的输出电压与滤波前求比值并取对数后乘以20得到，因此以分贝表示，代表滤波器的插入增益，对于同一频率，幅值越低表示滤波能力越强。

图12 不同信号频率下的滤波对比结果

将图11所示串联结构的AF用于实际中KQ-130E间通信信号的滤除，得到结果如图13所示，其显示为乱码，表明在本文AF的作用下电力载波模块间的通信受到了抑制，接收模块获得的信号电平过低，无法解耦出正常传输的信号而显示出乱码，从而有效解决了电源系统受触发受控的安全威胁。

图13 滤波后的KQ-130E间通信结果

5 结 语

教学和科研相结合是提高教学质量和培养学生创新能力的有效途径，电路仿真软件的熟练使用对于提高学生的学习兴趣和增强对专业知识的掌握程度更是起到不可替代的重要作用。因此，在实际中鼓励学生运用软件工具去分析解决部分科研问题，再根据实验测试进行验证比较，对于提升本科教学质量、提高学生综合素质和培养其科研能力都将具有积极的作用。