電(diàn)源的 Pi 滤波器设计

2021-07-20

電(diàn)源的 Pi 滤波器设计

Pi 滤波器是一种无源滤波器，其名称来源于三个组成部分(fēn)以希腊字母 Pi (π) 的形状排列。Pi 滤波器可(kě)以设计為(wèi)低通或高通滤波器，具體(tǐ)取决于所使用(yòng)的组件。

用(yòng)于電(diàn)源滤波的低通滤波器由在输入和输出之间串联的電(diàn)感器和两个電(diàn)容器组成，一个電(diàn)容器跨接输入端，另一个跨接输出端。Pi 滤波器在電(diàn)源中的主要应用(yòng)是通过充当低通滤波器来平滑整流器的输出。

高通滤波器等效電(diàn)路是通过在输入和输出之间串联一个電(diàn)容器和两个電(diàn)感器形成的，一个電(diàn)感跨接输入，另一个跨接输出。

本文(wén)将只关注低通滤波器的排列。

基本原则

构成 Pi 滤波器的三个组件分(fēn)别起到阻止交流電(diàn)流和通过直流電(diàn)流的作用(yòng)。输入電(diàn)容器执行过滤掉交流分(fēn)量的第一阶段也是最重要的阶段。接下来，電(diàn)感器执行下一个滤波阶段，有(yǒu)效地消除任何纹波。最后，输出電(diàn)容器过滤通过電(diàn)感器的任何交流分(fēn)量。

特征

Pi 滤波器将以最小(xiǎo)的電(diàn)流消耗产生高输出電(diàn)压，仅在输出端产生非常小(xiǎo)的压降。与不同滤波器类型相比，它的另一个主要优势是良好的纹波降低。然而，当负载施加到输出时，任何流过滤波器的電(diàn)流都会导致電(diàn)压下降，因此 Pi 滤波器无法提供電(diàn)压调节。该電(diàn)流还将流经電(diàn)感器，这意味着在具有(yǒu)高输出電(diàn)压的应用(yòng)中需要具有(yǒu)高额定功率的電(diàn)感器。这种限制还必须与高输入電(diàn)容要求和高额定電(diàn)压相权衡。此外，此类组件體(tǐ)积庞大且价格昂贵，会影响電(diàn)路板设计。

電(diàn)压调节

Pi 滤波器需要稳定的输出電(diàn)压才能(néng)有(yǒu)效。不断变化的输出负载或高電(diàn)流漂移将导致電(diàn)压调节不佳。它们的交流供電(diàn)電(diàn)源应用(yòng)通常紧接在桥式整流器電(diàn)路之后和开关模式控制電(diàn)路之前。它们的作用(yòng)是最小(xiǎo)化電(diàn)源電(diàn)路转换器级输入端整流電(diàn)源線(xiàn)上的纹波。

電(diàn)源隔离

用(yòng)变压器代替低通 Pi 滤波器中的電(diàn)感器将提供相同的纹波过滤功能(néng)，但具有(yǒu)在整流器输出和开关模式電(diàn)源转换器之间提供隔离的好处。另一个好处是变压器还将提供两路共模噪声过滤。在一个方向上，它减少了出现在整流器输出端的交流输入端的噪声。另一方面，它可(kě)以防止开关模式電(diàn)源转换器電(diàn)路产生的高频噪声通过電(diàn)源传导回電(diàn)源線(xiàn)。在此配置中，Pi 滤波器也称為(wèi)電(diàn)源線(xiàn)滤波器。

阻抗匹配

Pi 滤波器相对于简单 LC 滤波器的一个好处是它们為(wèi)電(diàn)路设计人员提供了更大的阻抗匹配灵活性。一个简单的 LC 滤波器将只有(yǒu)单个组件值，其中滤波器為(wèi)给定频率产生所需的阻抗。相比之下，Pi 滤波器将具有(yǒu)多(duō)个组件值组合，所有(yǒu)这些组合都会产生给定频率所需的阻抗。不同的选项将各自具有(yǒu)不同的 Q 因子，允许设计人员选择最适合他(tā)们正在设计的電(diàn)路的谐振行為(wèi)，并权衡效率。

设计约束

对于标准 Pi 滤波器，组件的典型尺寸和重量需要分(fēn)配大量的電(diàn)路板面积。它们还需要仔细安装，以防止任何外部振动转化為(wèi)组件的物(wù)理(lǐ)位移，从而导致其引線(xiàn)和连接到 PCB 的焊点开裂。

Pi 滤波器通常用(yòng)于高功率应用(yòng)。因此，滤波器组件之间的走線(xiàn)需要尽可(kě)能(néng)短，并在连接和走線(xiàn)中使用(yòng)尽可(kě)能(néng)低的電(diàn)流密度。在涉及高電(diàn)流的情况下，電(diàn)感器/变压器将需要热管理(lǐ)以防止过度加热效应。

在需要隔离的情况下，電(diàn)源線(xiàn)滤波器可(kě)作為(wèi)独立的现成单元并入设计中或作為(wèi)電(diàn)源连接電(diàn)路中的外部元件处理(lǐ)。此选项将带来更高的单位成本，从而简化電(diàn)路板设计并可(kě)能(néng)降低总體(tǐ)制造成本。

概括

Pi 滤波器有(yǒu)助于减少電(diàn)源電(diàn)路中的電(diàn)源纹波，只要任何物(wù)理(lǐ)尺寸和重量限制以及热管理(lǐ)问题不妨碍它们的使用(yòng)。它们的電(diàn)压调节限制使其不适合用(yòng)作输出滤波器，但它们非常适合作為(wèi)電(diàn)源電(diàn)路中的中间滤波器级。基于变压器的 Pi 滤波器还為(wèi)安全相关应用(yòng)的设计提供電(diàn)源隔离，这是一个额外的好处。