一種基于CPCI總線的變頻器電源設(shè)計(jì)

　　摘要：基于CPCI結(jié)構(gòu)變頻器若直接采用CPCI機(jī)箱內(nèi)部的開關(guān)電源，存在較為嚴(yán)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(jié)構(gòu)變頻器的電磁干擾源及切斷干擾源的方法，設(shè)計(jì)了一種電源處理方式，通過實(shí)際電路的雜散指標(biāo)測試，得出該處理方式可以有效地隔離數(shù)字電路與模擬電路間的電磁干擾，降低開關(guān)電源對變頻器的干擾及其輸出紋波。此外，本設(shè)計(jì)可以為其他接收機(jī)電源設(shè)計(jì)提供參考。

　　CompactPCI簡稱CPCI總線，是“PCI總線工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商組織”推出的一種工業(yè)計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)，它由PC機(jī)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(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(shè)備，其基礎(chǔ)原理和技術(shù)仍然屬于傳統(tǒng)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(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作。CPCI一般采用機(jī)箱內(nèi)部開關(guān)電源，開關(guān)電源存在電磁干擾和雜波、開關(guān)噪聲和紋波系數(shù)大等缺點(diǎn)。基于CPCI的變頻器要滿足國軍標(biāo)GJB151A電磁兼容性的要求，電源模塊的設(shè)計(jì)是非常重要的。

　　1 CPCI變頻器的電源設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)電源較復(fù)雜，有多種不同的電源電壓值，其中5 V和12 V由CPCI機(jī)箱中的開關(guān)電源提供，計(jì)算機(jī)主板采用5 V開關(guān)電源，若變頻器也直接采用5 V，則計(jì)算機(jī)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(jī)干擾。此外，開關(guān)電源紋波系數(shù)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(shè)計(jì)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總線到LOCAL總線的橋接，并在它們之間傳遞數(shù)據(jù)和信息，F(xiàn)PCA(EP1C6Q240C8)接收到LOCAL BUS的信號后，轉(zhuǎn)化為SPI信號發(fā)送給單片機(jī)(ATMACE48PA—AU)，使單片機(jī)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(shù)字電路也有模擬電路，其中表1中的PCI9054、FPGA及單片機(jī)屬于數(shù)字電路，而本振和變頻模塊屬于模擬電路部分。數(shù)字電路產(chǎn)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(shè)計(jì)部分的關(guān)鍵。

　　2 電源設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

　　基于CPCI結(jié)構(gòu)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?yàn)樗械哪K都可以通過傳導(dǎo)、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(dǎo)、輻射等方式將干擾耦合入所有模塊，甚至有可能相互加強(qiáng)。因此，將開關(guān)電源應(yīng)用到接收機(jī)中必須解決的難題和關(guān)鍵是降低開關(guān)電源的輸出紋波和數(shù)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隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達(dá)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(shù)電路都能夠取得良好的抑制噪聲的效果，使設(shè)備符合電磁兼容性的要求。在文中，電路隔離主要是數(shù)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(shù)字電路與模擬電路應(yīng)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(jī)通過I/O口對本振電路產(chǎn)生電磁干擾，電磁干擾會導(dǎo)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(shù)據(jù)緩沖器(SN74HC245PW)來降低電磁干擾。

　　2.1.3 電源地的隔離

　　數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲會提高底噪，降低接收機(jī)的靈敏度。解決方法之一是分開模擬地和數(shù)字地。

　　數(shù)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(shù)字和模擬電路中相互串?dāng)_。因此，數(shù)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(shí)現(xiàn)開關(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(hù)器件，具有極快的響應(yīng)時間和相當(dāng)高的浪涌吸收能力，當(dāng)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(yù)定數(shù)值，從而有效保護(hù)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(shù)字電路與模擬電路各自采用不同的電源，數(shù)字部分采用開關(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(wěn)定工作，也能保證輸出紋波滿足要求。如圖2所示，開關(guān)電源在接收機(jī)中的應(yīng)用采用了三級穩(wěn)壓方案，CPCI機(jī)箱內(nèi)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。