CN113965068A - 一种能对电力线进行信息泄漏抑制的电源滤波电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁信息安全领域，涉及提一种能对电力线进行信息泄漏抑制的电源滤波电路及方法,其特征是：其中包括共模电感L1、L2、L3，两组共模电容CY1、CY2和CY3、CY4，以及差模电容CX1和CX2，共模电感L1、L2、L3；2组共模电容CY1、CY2、CY3、CY4以及差模电容CX1和CX2被固定焊接在PCB板上，PCB板上的公共地E与屏蔽壳通过弹簧片导电连接，然后限制固定在屏蔽壳内。它是针对广义计算机系统在150kHz～100MHz频带内能对电力线进行信息泄漏抑制的电源滤波电路设计方法。

Description

一种能对电力线进行信息泄漏抑制的电源滤波电路及方法

技术领域

本发明属于电磁信息安全领域，涉及提一种能对电力线进行信息泄漏抑制的电源滤波电路及方法。

背景技术

随着计算机技术的快速发展，单一的计算机设备已经演化成广义计算机系统(计算机、计算机外部设备、网络设备等)，由于广义计算机系统的工作频段越来越宽、信息传输的容量越来越大、应用越来越多，带来了电磁信息安全的问题。研究证明，广义计算机系统工作时产生的电磁传导与电磁辐射，携带很多的工作信息，在一定条件下可以被截获甚至还原，从而造成信息泄漏，影响信息安全。

传统无源滤波装置在较低频带范围内，可以维持良好的滤波特性的，但如果频带范围过大，一般超过20MHz频率时，传统LC滤波装置由于构成滤波装置的电感电容高频寄生参数的影响，会使得滤波装置在高频段滤波性能急剧下降，同时传统LC滤波装置采用人工焊接的方式也使得滤波装置的高频寄生参数变得不可控。最后传统LC滤波装置电路与滤波装置外壳接地方式，通常采用元装置件引脚就近单点接地，这种接地方式使得滤波装置电路接地阻抗过大，滤波装置高频性能下降。

发明内容

本发明提供一种针对广义计算机系统在150kHz～100MHz频带内能对电力线进行信息泄漏抑制的电源滤波电路设计方法。

本发明的目的是这样实现的，一种能对电力线进行信息泄漏抑制的电源滤波电路，其特征是：其中包括共模电感L1、L2、L3，两组共模电容CY1、CY2和CY3、CY4，以及差模电容CX1和CX2，共模电感L1、L2、L3；2组共模电容CY1、CY2、CY3、CY4以及差模电容CX1和CX2被固定焊接在PCB板上，PCB板上的公共地E与屏蔽壳通过弹簧片导电连接，然后限制固定在屏蔽壳内。

电力线L、N网络依次通过串联连接的共模电感L1、L2、L3，在共模电感L1前后端口分别并接有差模电容CX1和CX2，在电力线L的回路上的共模电感L1、L2、L3之间与公共地E之间先后并接共模电容CY1和CY2；在电力线N的回路上的共模电感L1、L2、L3之间与公共地E之间先后并接共模电容CY3和CY4，共模电感L1和L3缠绕在磁芯上；共模电感L3另一端与负载电连接。

所述的公共地E与屏蔽壳通过弹簧片导体连接。

所述的公共地E与屏蔽壳通过导体弹簧片连接，使公共地E与屏蔽壳通过导体弹簧片连接保持在一个位置，以便保持参数的以致性

所述的共模电感L1、L2、L3为扁平电感，扁平电感包括铜线和磁性材料，磁性材料为铁氧体，同一磁芯上的两组铜线绕的线圈方向相反，绕制匝数在18～30匝，所以磁芯不怕饱和。铜线为矩形漆包线，矩形漆包线的厚度为0.1～1mm，宽度为1～3mm。

一种能对电力线进行信息泄漏抑制的电源滤波电路设计方法，其特征是：包括共模电感L1、L2、L3，两组共模电容CY1和CY2以及差模电容CX1和CX2；设定共模等效电感和电容是：L_CM＝L₁+L₂+L₃，C_CM＝C_Y1+C_Y2，Z_S为共模信号等效阻抗，Z_t为线性网络的阻抗；在信号角频率满足

时，可以将共模等效的电路图简化成共模滤波简化图，其中V_s,cm为等效信号电压，V_o,cm为信号通过滤波装置以后的电平值；由共模滤波简化图可以得到滤波装置抗共模部分的截止频率的计算式：

通过上式可得：

首先选的是C_CM值，使其满足高频损耗要求，同时确定滤波电路的截止频率f_cm；之后将共模电容C_CM的值代入漏电流计算公式，检验漏电流大小使其符合安规要求；最后将截止频率和共模电容值代入上式可得到共模扼流圈L_CM的电感值。

差模滤波等效是在差模信号频率满足1/(ω·C_Y2/2)＞＞Z_t,1/(ω·C_X1)＜＜Z_s的条件下差模滤波等效电路可以转化为差模信号输出简化电路所示的电路形式。

其中L_e为共模电感的漏感,一般情况下共模扼流圈的漏感取值为自身电感量的0.5％～2％；即L_e＝L_CM×2％。

其中C_DM＝C_X1+C_X2+C_Y1/2+C_Y2/2；可以得到滤波装置抗差模部分的截止频率的计算式：

在实际的计算过程中，由计算共模滤波装置确定共模扼流圈L_CM的电感值，通过漏感的计算公式确定L_e的大小，同时确定滤波电路的截止频率f_DM，将L_e以及f_DM代入上式中，计算出C_DM的值。

本发明的优点是：本发明采用的扁平电感，该电感相较于普通电感具有以下优势：扁平线圈绕制，匝与匝之间紧密平整；增加了线材的有效截面积，充分的利用了磁芯的有限组装空间，在相同电感量的条件下，扁平电感所需的匝数少，从而使得电感相邻每匝之间的寄生电容更少，有利于提高电感的高频特性；同时磁芯的形状完全配合线圈设计,磁场外泄降低到最小，磁芯采用铁氧体材料压铸而成，将磁损降低到最低，具有传统电感无法超越的饱和电流特性。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

图1为宽频带LC电源滤波装置电路形式；

图2为接地结构示意图；

图3为共模滤波等效电路图；

图4为共模滤波简化电路；

图5为差模滤波等效电路；

图6为差模信号输出简化电路；

图7为共模电路高频等效；

图8为差模电路高频等效；

图9A和图9B为传统电感与扁平电感匝数对比；

图10为宽频带LC电源滤波装置在150kHz～30MHz插入损耗；

图11为宽频带LC电源滤波装置在30MHz～100MHz插入损耗。

具体实施方式

如图1所示，一种能对电力线进行信息泄漏抑制的LC电源滤波电路，其特征是：其中包括共模电感2、5、7，两组共模电容3、6和8、9，以及差模电容1和4，共模电感2、5、7；两组共模电容3、6、8、9以及差模电容1和4被固定焊接在PCB板上，PCB板上的公共地1与屏蔽壳3通过弹簧片2导电连接，然后限制固定在屏蔽壳内。

电力线L、N网络依次通过串联连接的共模电感2、5、7，在共模电感2前后端口分别并接有差模电容1和4，在电力线L的回路上的共模电感2、5、7之间与PCB公共地2之间先后并接共模电容3和6；在电力线N的回路上的共模电感2、5、7之间与PCB公共地2之间先后并接共模电容8和9，共模电感2、5、7缠绕在磁芯上；共模电感7另一端与负载电连接。

如图2所示，所述的公共地2与屏蔽壳3通过导体弹簧片1连接，使公共地2与屏蔽壳3通过导体弹簧片1连接保持在一个位置，以便保持参数的以致性。所述的共模电感2、5、7为扁平电感，扁平电感包括铜线和磁性材料，磁性材料为铁氧体，同一磁芯上的两组铜线绕的线圈方向相反，绕制匝数在18～30匝，所以磁芯不怕饱和。铜线为矩形漆包线，矩形漆包线的厚度为0.1～1mm，宽度为1～3mm。

共模电感在2、5、7高频的漏感会起到差模电感的作用，对差模信号起到一定的抑制作用。低频的干扰和泄漏信号首先会经过无源电磁泄漏防护模块，利用阻抗失配原理将信号进行反射，阻止其传入电力线网络；而高频的干扰由于无源电磁泄漏防护模块无法做到理想接地，部分信号会通过滤波器向电网传输。为此需要使用有源噪声注入模块，产生的一定幅度的宽带干扰噪声，将泄漏的电磁信号“淹没”以实现阻断，使得电磁泄漏信息无法被检测。

对于电源系统，在较低频率下差模电感容易产生发热和磁饱和现象，所以一般用共模扼流圈的差模电感来解决差模问题。即低通无源滤波装置中在低频段对共模和差模的抑制可以全都采用共模扼流圈。而高频段的滤波则考虑电容的旁路作用，对于差模信号而言，差模电容跨接在L线和N线之间，对于共模信号而言，共模电容跨接在L(N)线与E线之间。由于Y电容要考虑漏电流不能太大，因此Y电容使的电容大小不能过大。另外考虑到低频段在50Hz或60Hz处几乎无衰减，而在阻带衰减要大于50dB，因此插损曲线边沿十分陡峭要用高阶数的滤波装置。即考虑将差模电容和共模扼流圈拆分成两级滤波电路。最后得到的滤波装置电路形式如图1所示。

在确定宽频带LC电源滤波电路形式后，需要对该电路进行共模等效分析。对宽频带LC电源滤波电路形式进行共模等效电路分析，可以得到宽频带LC电源滤波电路的共模等效电路如图3所示。

图3中，L_CM＝L₁+L₂+L₃，C_CM＝C_Y1+C_Y2，Z_S为共模信号等效阻抗，Z_t为线性网络的阻抗。在信号角频率满足

时，可以将图3的电路图简化成图4，其中V_s,cm为等效信号电压，V_o,cm为信号通过滤波装置以后的电平值。由图4可以得到滤波装置抗共模部分的截止频率的计算式：

通过上式可得：

在实际设计的过程中，首先选的是C_CM值，使其满足高频损耗要求，同时确定滤波电路的截止频率f_cm。之后将共模电容C_CM的值代入漏电流计算公式，检验漏电流大小使其符合安规要求。最后将截止频率和共模电容值代入上式可得到共模扼流圈L_CM的电感值。

本发明的宽频带LC电源滤波电路需要对该电路中的差模滤波进行等效电路分析。

由宽频带LC电源滤波电路形式可以得到如图5所示的等效电路形式。在差模信号频率满足1/(ω·C_Y2/2)＞＞Z_t,1/(ω·C_X1)＜＜Z_s的条件下图5可以转化为如图6所示的电路形式。

其中L_e为共模电感的漏感,一般情况下共模扼流圈的漏感取值为自身电感量的0.5％～2％。即L_e＝L_CM×2％。

其中C_DM＝C_X1+C_X2+C_Y1/2+C_Y2/2。可以得到滤波装置抗差模部分的截止频率的计算式：

在实际的计算过程中，由计算共模滤波装置确定共模扼流圈L_CM的电感值，通过漏感的计算公式确定L_e的大小，同时确定滤波电路的截止频率f_DM，将L_e以及f_DM代入上式中，计算出C_DM的值。

从上面的两部分计算中，可以得到本发明宽频带LC电源滤波电路中的共模电感2、5、7，两组共模电容3、6、8、9以及差模电容1和4参数。

一般情况电感和电容在高频时由于高频寄生参数的影响会使得电感电容在高频时分别呈现电容电感特性。电容不是理想电容，引线的残余电感会引起寄生电感ESL，同时引脚之间的相互靠近会形成的寄生电容EPC。故实际电容的特性会与理想电容的特性有所区别。同样电感也不是理想和电感。邻近的绕线构成了许多小电容，而这些小电容相加起来可能形成相当大的电容值。

下面分析本发明宽频带LC电源滤波装置的共模/差模电路高频等效电路。在宽频带LC电源滤波装置的共模等效电路图中，高频时两个共模扼流圈的每匝线圈之间会产生寄生电容EPC与电感并联，Y电容与滤波装置外壳连接的引脚产生寄生电感ESL与电容串联。图7为共模电路高频等效。

同样在宽频带LC电源滤波装置的差模等效电路图中，高频时两个共模扼流圈的漏电感每匝线圈之间会产生寄生电容EPC与电感并联，X电容与N(L)线连接的引脚产生寄生电感ESL与电容串联。图7为差模电路高频等效电路研究表明，对于普通的绕线电感，当频率到达20MHz后其高频特性变得十分突出。要使得设计的滤波装置具有宽频带特性，那么需要使用扁平电感代替传统的绕线电感。

由于电源滤波装置所需流过的电流较大，选取的线径较大，导致在磁芯上所能绕制的匝数较小。因此可以考虑使用扁平状的漆包线，在截面积相同的情况下如图9A和图9B所示，扁平状的漆包线的厚度要小于圆形漆包线，在同一个磁环中能够绕制的匝数也就越多。

通过上述分析本发明选用的扁平电感，该电感相较于普通电感具有以下优势：扁平线圈绕制，匝与匝之间紧密平整，增加了线材的有效截面积，并充分的利用了磁芯的有限组装空间，在相同电感量的条件下，扁平电感所需的匝数少，从而使得电感相邻每匝之间的寄生电容更少，有利于提高电感的高频特性；同时磁芯的形状完全配合线圈设计,磁场外泄降低到最小，磁芯采用铁氧体压铸而成，将磁损降低到最低，具有传统电感无法超越的饱和电流特性。

对于传统的滤波装置安装通常对滤波元件引脚直接和滤波装置外壳就近焊接以及元装置件引脚直接缠绕焊接的方式，这种传统滤波装置的生产方式会使得滤波装置的高频寄生参数变得不可控，使得滤波装置频带无法做宽，同时导致了生产后的每只滤波装置的高频性能与实际预测性能偏差过大，且各个滤波装置之间的高频性能不一致。

本发明采用的滤波元件安装方式采用PCB基板安装，这种安装方式采用波峰焊的方式，减少人工操作，使得生产出来的滤波装置的元装置件引脚极短，有效的减小了高频寄生参数。同时采用PCB基板安装可以使得滤波装置自动化生产，保证每只滤波装置之间的高频性能偏差不会过大。本发明采用PCB基板安装滤波元件，可以有效的提高滤波装置的高频性能，使得滤波装置具备宽频带特性。

传统的滤波装置通常采用单点连接滤波装置壳体的接地方式，这种接地方式由于使用的接地线较长，且单点接地会使得接地面积过小。这将导致滤波装置的高频特性变坏，降低滤波性能。由于接地线较长，导致滤波装置高频时接地阻抗较大，尤其在分布电感和分布电容谐振的频率附近，接地阻抗极大。另一方面，采用单点接地将导致接地面积过小，同样使得滤波装置接地不良。因此采用一种高效的接地方式显得十分必要。

本发明采用一种簧片接地方式，该接地方式相较于传统滤波装置的单点接地方式具有以下优势：由于簧片直接与滤波装置外壳压接，使得滤波电路的接地长度几乎可以忽略不计，大大减小了地线阻抗，有效的提高了滤波装置的高频特性；同时采用簧片压接的方式可以使得滤波电路的接地面积更大，有利于滤除的信号流入大地，使得滤波装置在高频的性能更加优秀，在带宽表现为宽频带特征；最后簧片接地的方式便于滤波装置的安装与生产，同时减小人工焊接带来的不确定因素。

对该滤波装置进行插入损耗测试，150kHz～30MHz其结果如图10所示，30MHz～100MHz其结果如图11所示。可以看出该滤波装置在150kHz～100MHz这个宽频带范围其插入损耗≥50dB，具有良好的宽频带特性。

Claims (7)

1.一种能对电力线进行信息泄漏抑制的电源滤波电路，其特征是：其中包括共模电感L1、L2、L3，两组共模电容CY1、CY2和CY3、CY4，以及差模电容CX1和CX2，共模电感L1、L2、L3；2组共模电容CY1、CY2、CY3、CY4以及差模电容CX1和CX2被固定焊接在PCB板上，PCB板上的公共地E与屏蔽壳通过弹簧片导电连接，然后限制固定在屏蔽壳内。

2.根据权利要求1所述的一种能对电力线进行信息泄漏抑制的电源滤波电路，其特征是：电力线L、N网络依次通过串联连接的共模电感L1、L2、L3，在共模电感L1前后端口分别并接有差模电容CX1和CX2，在电力线L的回路上的共模电感L1、L2、L3之间与公共地E之间先后并接共模电容CY1和CY2；在电力线N的回路上的共模电感L1、L2、L3之间与公共地E之间先后并接共模电容CY3和CY4，共模电感L1和L3缠绕在磁芯上；共模电感L3另一端与负载电连接。

3.根据权利要求2所述的一种能对电力线进行信息泄漏抑制的电源滤波电路，其特征是：所述的公共地E与屏蔽壳通过弹簧片导体连接。

4.根据权利要求2所述的一种能对电力线进行信息泄漏抑制的电源滤波电路，其特征是：所述的公共地E与屏蔽壳通过导体弹簧片连接，使公共地E与屏蔽壳通过导体弹簧片连接保持在一个位置，以便保持参数的以致性。

5.根据权利要求1所述的一种能对电力线进行信息泄漏抑制的电源滤波电路，其特征是：所述的共模电感L1、L2、L3为扁平电感，扁平电感包括铜线和磁性材料，磁性材料为铁氧体，同一磁芯上的两组铜线绕的线圈方向相反，绕制匝数在18～30匝，所以磁芯不怕饱和。铜线为矩形漆包线，矩形漆包线的厚度为0.1～1mm，宽度为1～3mm。

6.一种能对电力线进行信息泄漏抑制的电源滤波电路设计方法，其特征是：包括共模电感L1、L2、L3，两组共模电容CY1和CY2以及差模电容CX1和CX2；设定共模等效电感和电容是：L_CM＝L₁+L₂+L₃，C_CM＝C_Y1+C_Y2，Z_S为共模信号等效阻抗，Z_t为线性网络的阻抗；在信号角频率满足

时，可以将共模等效的电路图简化成共模滤波简化图，其中V_s,cm为等效信号电压，V_o,cm为信号通过滤波装置以后的电平值；由共模滤波简化图可以得到滤波装置抗共模部分的截止频率的计算式：

通过上式可得：

首先选的是C_CM值，使其满足高频损耗要求，同时确定滤波电路的截止频率f_cm。之后将共模电容C_CM的值代入漏电流计算公式，检验漏电流大小使其符合安规要求；最后将截止频率和共模电容值代入上式可得到共模扼流圈L_CM的电感值。

7.根据权利要求6所述的一种能对电力线进行信息泄漏抑制的LC电源滤波电路设计方法，其特征是：差模滤波等效是在差模信号频率满足1/(ω·C_Y2/2)＞＞Z_t,1/(ω·C_X1)＜＜Z_s的条件下差模滤波等效电路可以转化为差模信号输出简化电路所示的电路形式；

其中L_e为共模电感的漏感,一般情况下共模扼流圈的漏感取值为自身电感量的0.5％～2％；即L_e＝L_CM×2％；其中C_DM＝C_x1+C_x2+C_Y1/2+C_Y2/2；可以得到滤波装置抗差模部分的截止频率的计算式：

在实际的计算过程中，由计算共模滤波装置确定共模扼流圈L_CM的电感值，通过漏感的计算公式确定L_e的大小，同时确定滤波电路的截止频率f_DM，将L_e以及f_DM代入上式中，计算出C_DM的值。

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