基于CPCI结构变频器的电源设计

李 慧,韩周安,刘 丹

（电子科技大学 电子工程学院,四川 成都 611731）

CompactPCI简称CPCI总线，是“PCI总线工业计算机制造商组织”推出的一种工业计算机总线标准，它由PC机上的通用总线PCI发展而来，既有PCI总线的高带宽高性能，即插即用，价格低廉等诸多优点，又有无源背板总线VME总线的可靠性[1]。CPCI变频器属于微型化通信设备，其基础原理和技术仍然属于传统微波变频器技术，在工程上具有耐用性、抗震性、通风性、便携性等优势。

电源是CPCI变频器必不可缺少的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。CPCI一般采用机箱内部开关电源，开关电源存在电磁干扰和杂波、开关噪声和纹波系数大等缺点。基于CPCI的变频器要满足国军标GJB151A[2]电磁兼容性的要求，电源模块的设计是非常重要的。响变频器的性能。因此，减小输出纹波也是设计的关键。

基于CPCI的变频器组成框图如图1所示，其中，PCI9054是一种性能较高的PCI桥路芯片，完成CPCI总线到LOCAL总线的桥接，并在它们之间传递数据和信息，FPGA（EP1C6Q240C8）接收到LOCAL BUS的信号后，转化为SPI信号发送给单片机(ATMAGE48PA-AU)，使单片机控制本振和衰减器HMC472LP4。

1 CPCI变频器的电源设计

系统电源较复杂，有多种不同的电源电压值，其中5 V和12 V由CPCI机箱中的开关电源提供，计算机主板采用5 V开关电源，若变频器也直接采用5 V，则计算机主板对变频的电磁干扰很大，本系统考虑采用12 V，隔离计算机干扰。此外，开关电源纹波系数大，纹波会影响本振的频谱纯度，直接影

图1 基于CPCI的变频器组成框图Fig.1 Block diagram of the inverter based CPCI

系统电源配置如表1所示，系统既有数字电路也有模拟电路，其中表1中的PCI9054、FPGA及单片机属于数字电路，而本振和变频模块属于模拟电路部分。数字电路产生的噪声会对模拟电路造成电磁干扰，因此，有效降低电磁干扰是电源设计部分的关键。

表1 电源配置表Tab.1 Power con figuration table

2 电源设计关键技术

基于CPCI结构的变频器所有模块的连接都通过母板上的CPCI总线，对于电磁兼容性来说，因为所有的模块都可以通过传导、辐射等方式将干扰耦合入CPCI总线，CPCI总线受干扰之后可以通过传导、辐射等方式将干扰耦合入所有模块，甚至有可能相互加强[3]。因此，将开关电源应用到接收机中必须解决的难题和关键是降低开关电源的输出纹波和数字电路与模拟电路间的电磁干扰。

2.1 电路隔离

隔离技术是电磁兼容性的重要技术之一，电路隔离的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果。在采用了电路隔离的措施以后，绝大多数电路都能够取得良好的抑制噪声的效果，使设备符合电磁兼容性的要求[4]。在文中，电路隔离主要是数字电路与模拟电路之间的隔离。

2.1.1 供电电源的隔离

为有效的抑制电磁干扰的影响，提高变频器的可靠性，数字电路与模拟电路应采用隔离电源供电，即加直流电压隔离器（DC/DC变换器）。此外，LDO也可减小输出纹波，起到了良好的隔离作用。

2.1.2 通信端口的隔离

为了防止单片机通过I/O口对本振电路产生电磁干扰，电磁干扰会导致信号频谱不纯，因此，在DDS和锁相环的控制端口接8位三态双向数据缓冲器（SN74HC245PW）来降低电磁干扰。

2.1.3 电源地的隔离

数字电路产生的噪声会提高底噪，降低接收机的灵敏度。解决方法之一是分开模拟地和数字地。

数字电路与模拟电路的信号会跟地之间形成一个回流，如果把地线混接在一起，那么这个回流就会在数字和模拟电路中相互串扰。因此，数字地与模拟地之间要用磁珠连接起来，这样能有效地减小电磁干扰。

2.2 纹波处理

纹波过大会影响本振的频谱纯度，直接影响变频器的性能。要实现开关电源的低纹波输出，必须对纹波采取滤波措施，一般滤波多采用C型、LC型、CLC型，为了更好的抑制纹波，可以采用增加多一级LC滤波。文中采用的就是多级LC滤波[5]。

2.3 抗冲击处理

二极管瞬态电压抑制器(TVS)是一种二极管形式的高效能保护器件,具有极快的响应时间和相当高的浪涌吸收能力,当TVS的两端受到反向瞬态过压脉冲时,能以极高的速度把两端间的高阻抗变为低阻抗,以吸收瞬间大电流,并将电压箝制在预定数值,从而有效保护电路中的元器件免受损坏[6]。

2.4 电源杂波处理

用隔离型DC/DC模块进行供电，能够有效地抑制电源杂波。本文采用多级隔离型DC/DC变换器。

3 实际电源处理

为有效降低电磁干扰和输出纹波，基于CPCI的变频器数字电路与模拟电路各自采用不同的电源，数字部分采用开关电源的5 V，模拟部分采用12 V，多次变换逐步降低到所需电压，多次变换增加了电源输入与输出间的隔离度，进一步消除了电磁干扰。这样既能够保证每一路的电流容量，变频器能够稳定工作，也能保证输出纹波满足要求。如图2所示，开关电源在接收机中的应用采用了三级稳压方案,CPCI机箱内部自带EMI滤波器。

图2 电源实施方案原理框图Fig.2 Block diagram of the design

一次稳压采用线性稳压器LM7809，二次稳压采用线性稳压器LM7805，三次稳压采用低噪声，低压差线性稳压器件LT1965。

根据电源器件的特点及对系统电源需求的分析，该系统使用了5个不同型号的电源器件，分别是：LDO器件LT1965、线性稳压器 LM7809、LM7805、LM1117、AMS1117。

图3 LT1965的电路图Fig.3 LT1965 circuit

如图4（a）,开关电源的12 V通过L7809降压至9 V,再通过L7805降压至5V，5V的电压一部分供给变频模块使用；一部分经过LT1965稳压至3.3V或1.8V，供给本振模块使用。如图3，LT1965的输出电压值可以通过改变、的值来改变，其中：

如图 4（b），开关电源的 5 V（5VCCPCI）通过 LM1117 降压、滤波输出3.3 V，再通过AMS1117降至1.5 V，其中PCI9054使用3.3 V电压，FPGA使用两个电压（3.3 V、1.5 V）。

图4 电源设计原理图Fig.4 s of Power design

4 实测结果

为了验证本方案的可行性，进行了实际测试，测试条件为：下变频器输入频率：2 072.5 MHz，输出频率：70 MHz，输入电平：-50 dB，增益：52 dB，测试中使用了信号源 （SMQ-03S）、频谱仪（HP8563E）。 图 5（a）是直接采用开关电源 5V 中频输出杂散图，(b)是采用多级DC/DC稳压后中频输出杂散图。

得出结论:输出频谱比较,电源处理前后不同点:前者在主频谱两边明显存在严重的杂散，而后者经过处理之后，杂散得到了很好的抑制。

图5 电源处理前后中频输出杂散对比图Fig.5 IF output power spurious comparison before and after processing

5 结束语

文中提出了一种应用于CPCI变频器的电源设计方案，其特色在于采用多级稳压方式，有效降低了数字电路与模拟电路间电磁干扰和开关电源的输出纹波。进行了实际测试，验证了本方案的可实行性,对实际工程应用具有一定参考价值。

[1]黄颖,杜旭.基于CPCI总线的分布式系统设计[J].嵌入式计算机应用，2006,22(12-2):41-43.HUANG Ying,DU Xu.A design of distributed system based on Compact PCI bus[J].Embedded System Application，2006,22(12-2):41-43.

[2]GJB151A.军用设备和分系统的电磁发射和敏感度要求[S].1997.

[3]叶发亮.基于CPCI总线设备的电磁兼容性设计[C]//2009年机械电子学学术会议.2009,8,31.

[4]璩克旺,陶生桂.开关电源的隔离技术[J].通信电源技术,2003(4):17-19.QU Ke-wang,TAO Sheng-gui.The isolation technologies of switchingmode power supply[J].Telecom Power Technologies,2003(4):17-19.

[5]鞠文耀,封心歌,陈善华.用于雷达接收机的开关电源的低纹波设计[J].电源技术,2005(10):102-106.JU Wen-yao,FENG Xin-ge,CHEN Shan-hua.Low ripple design of the power supply used in radar receiver[T].Chinese Journal of Power Sources,2005（10):102-106.

[6]白树林,许波.TVS及其在电路设计中的应用[T].电子元器应用,2009(11):58-64.BAI Shu-lin,XU Bo.TVS and its application in the circuit design[T].Electronic ComponentApplications，2009(11):58-64.