一種基于CPCI總線(xiàn)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(kāi)關(guān)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(guò)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(guò)實(shí)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(kāi)關(guān)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(jiǎn)稱(chēng)CPCI總線(xiàn)，是“PCI總線(xiàn)工業(yè)計算機制造商組織”推出的一種工業(yè)計算機總線(xiàn)標準，它由PC機上的通用總線(xiàn)PCI發(fā)展而來(lái)，既有PCI總線(xiàn)的高帶寬高性能，即插即用，價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，又有無(wú)源背板總線(xiàn)VME總線(xiàn)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(shù)仍然屬于傳統微波變頻器技術(shù)，在工程上具有耐用性、抗震性、通風(fēng)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(guān)系到電子設備的技術(shù)指標及能否安全可靠地工作。CPCI一般采用機箱內部開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源存在電磁干擾和雜波、開(kāi)關(guān)噪聲和紋波系數大等缺點(diǎn)?；贑PCI的變頻器要滿(mǎn)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(kāi)關(guān)電源提供，計算機主板采用5 V開(kāi)關(guān)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，本系統考慮采用12 V，隔離汁算機干擾。此外，開(kāi)關(guān)電源紋波系數大，紋波會(huì )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(guān)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(xiàn)到LOCAL總線(xiàn)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。

　　系統電源配置如表1所示，系統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(chǎn)生的噪聲會(huì )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(guān)鍵。

　　2 電源設計關(guān)鍵技術(shù)

　　基于CPCI結構的變頻器所有模塊的連接都通過(guò)母板上的CPCI總線(xiàn)，對于電磁兼容性來(lái)說(shuō)，因為所有的模塊都可以通過(guò)傳導、輻射等方式將干擾耦合入CPCI總線(xiàn)，CPCI總線(xiàn)受干擾之后可以通過(guò)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(kāi)關(guān)電源應用到接收機中必須解決的難題和關(guān)鍵是降低開(kāi)關(guān)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(shù)是電磁兼容性的重要技術(shù)之一，電路隔離的主要目的是通過(guò)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(guò)I/O口對本振電路產(chǎn)生電磁干擾，電磁干擾會(huì )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(lái)降低電磁干擾。

　　2.1.3 電源地的隔離

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

　　數字電路與模擬電路的信號會(huì )跟地之間形成一個(gè)回流，如果把地線(xiàn)混接在一起，那么這個(gè)回流就會(huì )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(lái)，這樣能有效地減小電磁干擾。

　　2.2 紋波處理

　　紋波過(guò)大會(huì )影響本振的頻譜純度，直接影響變頻器的性能。要實(shí)現開(kāi)關(guān)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(shí)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(guò)壓脈沖時(shí)，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(jìn)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(shí)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(kāi)關(guān)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(chǎng)電源輸入與輸出間的隔離度，進(jìn)一步消除了電磁干擾。這樣既能夠保證每一路的電流容量，變頻器能夠穩定工作，也能保證輸出紋波滿(mǎn)足要求。如圖2所示，開(kāi)關(guān)電源在接收機中的應用采用了三級穩壓方案，CPCI機箱內部自帶EMI濾波器。

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