一種基于CPCI總線的變頻器電源設計

　　摘要：基于CPCI結構變頻器若直接采用CPCI機箱內部的開關電源，存在較為嚴重的電磁干擾，為了消除此電磁干擾，文中通過分析基于CPCI結構變頻器的電磁干擾源及切斷干擾源的方法，設計了一種電源處理方式，通過實際電路的雜散指標測試，得出該處理方式可以有效地隔離數字電路與模擬電路間的電磁干擾，降低開關電源對變頻器的干擾及其輸出紋波。此外，本設計可以為其他接收機電源設計提供參考。

　　CompactPCI簡稱CPCI總線，是“PCI總線工業(yè)計算機制造商組織”推出的一種工業(yè)計算機總線標準，它由PC機上的通用總線PCI發(fā)展而來，既有PCI總線的高帶寬高性能，即插即用，價格低廉等諸多優(yōu)點，又有無源背板總線VME總線的可靠性。CPCI變頻器屬于微型化通信設備，其基礎原理和技術仍然屬于傳統(tǒng)微波變頻器技術，在工程上具有耐用性、抗震性、通風性、便攜性等優(yōu)勢。

　　電源是CPCI變頻器必不可缺少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標及能否安全可靠地工作。CPCI一般采用機箱內部開關電源，開關電源存在電磁干擾和雜波、開關噪聲和紋波系數大等缺點。基于CPCI的變頻器要滿足國軍標GJB151A電磁兼容性的要求，電源模塊的設計是非常重要的。

　　1 CPCI變頻器的電源設計

　　系統(tǒng)電源較復雜，有多種不同的電源電壓值，其中5 V和12 V由CPCI機箱中的開關電源提供，計算機主板采用5 V開關電源，若變頻器也直接采用5 V，則計算機主板對變頻的電磁干擾很大，本系統(tǒng)考慮采用12 V，隔離汁算機干擾。此外，開關電源紋波系數大，紋波會影響本振的頻譜純度，直接影響變頻器的性能。因此，減小輸出紋波也是設計的關鍵。

　　基于CPCI的變頻器組成框圖如圖1所示，其中，PCI9054是一種性能較高的PCI橋路芯片，完成CPCI總線到LOCAL總線的橋接，并在它們之間傳遞數據和信息，FPCA(EP1C6Q240C8)接收到LOCAL BUS的信號后，轉化為SPI信號發(fā)送給單片機(ATMACE48PA—AU)，使單片機控制本振和衰減器HMC472LP4。

　　系統(tǒng)電源配置如表1所示，系統(tǒng)既有數字電路也有模擬電路，其中表1中的PCI9054、FPGA及單片機屬于數字電路，而本振和變頻模塊屬于模擬電路部分。數字電路產生的噪聲會對模擬電路造成電磁干擾，因此，有效降低電磁干擾是電源設計部分的關鍵。

　　2 電源設計關鍵技術

　　基于CPCI結構的變頻器所有模塊的連接都通過母板上的CPCI總線，對于電磁兼容性來說，因為所有的模塊都可以通過傳導、輻射等方式將干擾耦合入CPCI總線，CPCI總線受干擾之后可以通過傳導、輻射等方式將干擾耦合入所有模塊，甚至有可能相互加強。因此，將開關電源應用到接收機中必須解決的難題和關鍵是降低開關電源的輸出紋波和數字電路與模擬電路間的電磁干擾。

　　2.1 電路隔離

　　隔離技術是電磁兼容性的重要技術之一，電路隔離的主要目的是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達到抑制噪聲干擾的效果。在采用了電路隔離的措施以后，絕大多數電路都能夠取得良好的抑制噪聲的效果，使設備符合電磁兼容性的要求。在文中，電路隔離主要是數字電路與模擬電路之間的隔離。

　　2.1.1 供電電源的隔離

　　為有效的抑制電磁干擾的影響，提高變頻器的可靠性，數字電路與模擬電路應采用隔離電源供電，即加直流電壓隔離器(DC/DC變換器)。此外，LDO也可減小輸出紋波，起到了良好的隔離作用。

　　2.1. 2 通信端口的隔離

　　為了防止單片機通過I/O口對本振電路產生電磁干擾，電磁干擾會導致信號頻譜不純，因此，在DDS和鎖相環(huán)的控制端口接8位三態(tài)雙向數據緩沖器(SN74HC245PW)來降低電磁干擾。

　　2.1.3 電源地的隔離

　　數字電路產生的噪聲會提高底噪，降低接收機的靈敏度。解決方法之一是分開模擬地和數字地。

　　數字電路與模擬電路的信號會跟地之間形成一個回流，如果把地線混接在一起，那么這個回流就會在數字和模擬電路中相互串擾。因此，數字地與模擬地之間要用磁珠連接起來，這樣能有效地減小電磁干擾。

　　2.2 紋波處理

　　紋波過大會影響本振的頻譜純度，直接影響變頻器的性能。要實現開關電源的低紋波輸出，必須對紋波采取濾波措施，一般濾波多采用C型、LC型、CLC型，為了更好的抑制紋波，可以采用增加多一級LC濾波，文中采用的就是多級LC濾波。

　　2.3 抗沖擊處理

　　二極管瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)是一種二極管形式的高效能保護器件，具有極快的響應時間和相當高的浪涌吸收能力，當TVS的兩端受到反向瞬態(tài)過壓脈沖時，能以極高的速度把兩端間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，以吸收瞬間大電流，并將電壓箝制在預定數值，從而有效保護電路中的元器件免受損壞。

　　2.4 電源雜波處理

　　用隔離型DC/DC模塊進行供電，能夠有效地抑制電源雜波。本文采用多級隔離型DC/DC變換器。

　　3 實際電源處理

　　為有效降低電磁干擾和輸出紋波，基于CPCI的變頻器數字電路與模擬電路各自采用不同的電源，數字部分采用開關電源的5 V，模擬部分采用12 V，多次變換逐步降低到所需電壓，多次變換增加廠電源輸入與輸出間的隔離度，進一步消除了電磁干擾。這樣既能夠保證每一路的電流容量，變頻器能夠穩(wěn)定工作，也能保證輸出紋波滿足要求。如圖2所示，開關電源在接收機中的應用采用了三級穩(wěn)壓方案，CPCI機箱內部自帶EMI濾波器。

　　一次穩(wěn)壓采用線性穩(wěn)壓器LM7809，二次穩(wěn)壓采用線性穩(wěn)壓器LM7805，三次穩(wěn)壓采用低噪聲，低壓差線性穩(wěn)壓器件LT1965。