在物联网安全应用程序中引入电力线过滤预防干扰

为了确保它们保持安全，许多物联网（IoT）应用程序将需要防火墙和网关来保护最敏感的设备。尽管终端节点将由电池供电，但这些防火墙在很大程度上将由线路供电，为其提供运行必要安全检查所需的能量。这引入了过滤电源线以防干扰的需要。

为了应对可以针对工业网络发起的越来越多的威胁，防火墙使用的数据过滤系统变得越来越复杂。设计人员不仅部署了嵌入式处理器，还部署了现场可编程门阵列（FPGA），以执行能够清除可疑或恶意帧的深度数据包检测任务。这些复杂的设备可以有多个电源轨供给它们，分别为核心逻辑阵列和I/O单元以及时钟和存储器接口通道提供能量。

电源耦合噪声会对用于产生可靠时钟脉冲的锁相环（PLL）产生不利影响，包括片内电路和串行接口，以及逻辑运算。由于电压现在为1 V或更低，因此对变化的容忍度非常小，因此电路可能对纹波和其他形式的电源噪声非常敏感。

电源完整性是这些设计的关键要求之一，因为处理中断可能会在系统恢复时降低网络性能。由于防火墙通常位于数据中心外部，过滤后的电源不易获得，并且可能靠近工业设备，因此需要将自己的电源噪声抑制和过滤硬件结合在一起。

在工业物联网防火墙的设计中，可能需要两个阶段进行过滤。一个是在电源输入端，试图消除沿电缆传导的噪声。另一种是在电源之后处理耦合到主电路中的噪声或由于系统内的数字切换而产生的噪声。在这两种情况下，电感和电容的无源网络都可以提供所需的大部分滤波。

电源输入滤波器的一个选项是无阻尼LC滤波器。然而，这具有潜在地增加电路转角频率处的干扰的效果，这与总电感和电容的平方根有关。因此，设计通常使用串联或并联阻尼来抑制滤波器截止频率附近的峰值。

在电源的输出侧，旁路电容经常用于抑制电流的变化切换噪声和其他干扰源引起的流量。电容器位于电源和地之间。除了旁路电容器之外，还可以串联插入诸如铁氧体磁珠的电感器，以形成共模噪声抑制滤波器。在这种情况下，铁氧体可以更好地工作，因为它们提供比电感器更低的阻抗，电感器可以用在DC/DC转换器本身的输出电路中。在电感和电容选择期间需要考虑许多因素。

多层陶瓷电容器（MLCC）广泛用作电源噪声滤波应用中的电容器，因为它们可以处理宽频率范围。然而，这些特性受其固有电阻（ESR）和电感（ESL）的影响，在处理高频信号时导致不太理想的特性。由于这些元件，电容器阻抗表示V形频率曲线（图1），其中电容器的阻抗（主要由串联电阻引起）由于串联电感而在再次上升之前几乎线性地朝向谐振频率下降。

图1：频率下电容器的阻抗特性。

左侧的曲线可以通过选择合适的电容来调节。通常，阻抗越低，电容器的噪声抑制能力越好。较高的电容通常在V的左侧较低，但对电感控制侧的影响很小。因此，选择具有低ESL的电容器以及选择在PCB上安装电容器的方式非常重要，以确保在那里具有低电感 - 这可以通过使用短而宽的迹线来实现。电感增加1 nH可将噪声抑制降低10 dB。

适用于抑制的低电感电容会改变内部电极配置，从而改变通过器件的电流路径。一种类型是长度宽度（LW）反向电容器，例如Murata Electronics LLL系列系列，其具有宽且短的电极结构。另一种方法是多端电容器设计，每个电极相对于其相邻电极反转极性。使用这种结构，在相反方向上流动的电流之间的互感抵消了。传统的MLCC可能具有0.5nH的电感，而LW反向可以将其降低到0.2nH，而8端子甚至可以进一步降低到0.1nH。 Murata LLA系列提供合适的八端电容，AVX IDC系列也是如此。

另一种形式的低ESL电容是三端子设计，是一种专为以太网设计的馈通电容器其广泛的频率范围特性。它是一个带有输入，输出和接地电极的电容器，在电路中形成一个T形路径。该设计显着降低了旁路方向的电感，通常小于传统MLCC的三十分之一。

类似于电容器，电感器具有与频率相关的特性，尽管相对于电容器外壳是反转的，因此在Δ形状而不是V形中。峰值再次处于电感器的自谐振频率。三角形的上升左边缘是由于电感引起的，右下方的下降主要由有效的并联电容（EPC）控制。自谐振点的阻抗由有效并联电阻（EPR）控制。

为了在高频下实现高阻抗，通常通过最小化绕组线中的电容来获得具有低EPC的电感器。 。然而，由于频率相关的电阻，铁氧体磁珠具有比电感器的尖锐谐振峰更宽的峰值，这适合于宽带噪声抑制。

铁氧体磁珠的基本结构由圆柱形铁氧体和穿过它的引线组成，尽管有些形式使用内部形成螺旋连接的多层结构。响应于通过引线的电流，在铁氧体内部形成磁通量，提供由铁氧体的磁导率引起的电感和阻抗特性。

图2：铁氧体电容LC滤波器的典型配置。

电感根据铁氧体磁导率的频率特性而变化，通常不固定。阻抗受铁氧体磁损耗的强烈影响。结果，铁氧体磁珠的特性通常用频率引起的阻抗变化表示，与电感相反。在高频时，大部分能量通过热量消散，但铁氧体的电阻非常低，接近直流，因此不会对DC/DC转换器的输出产生很大影响。

铁氧体磁珠应该选择使其在DC/DC转换器的开关频率和其谐波处的阻抗足够高，以及确保有效阻止调节器的开关噪声。一些DC/DC转换器制造商建议使用屏蔽铁氧体磁芯电感器，因为它们的磁芯损耗很低。

图3：铁氧体对频率的阻抗响应以及元件电阻（R）和元件电抗（X）的影响。

组合使用铁氧体和电容滤波器的一种方法是使用LC滤波器。这简化了匹配二者的工作，以确保由于电容器下降得太低而导致的插入损耗在所关注的频率范围内提供有效抑制。典型的LC滤波器产品系列是Murata的NFE系列或TDK的ACF系列。

噪声会对敏感的高性能数字处理器产生不利影响，因为它会干扰模拟电路。在滤波电路中进行设计可以确保系统可靠地运行，特别是在诸如工业环境等易受EMI影响的条件下。