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技術(shù)專題
電源的 Pi 濾波器設(shè)計
電源的 Pi 濾波器設(shè)計
Pi 濾波器是一種無源濾波器，其名稱來源于三個組成部分以希臘字母 Pi (π) 的形狀排列。Pi 濾波器可以設(shè)計為低通或高通濾波器，具體取決于所使用的組件。
用于電源濾波的低通濾波器由在輸入和輸出之間串聯(lián)的電感器和兩個電容器組成，一個電容器跨接輸入端，另一個跨接輸出端。Pi 濾波器在電源中的主要應(yīng)用是通過充當?shù)屯V波器來平滑整流器的輸出。
高通濾波器等效電路是通過在輸入和輸出之間串聯(lián)一個電容器和兩個電感器形成的，一個電感跨接輸入，另一個跨接輸出。
本文將只關(guān)注低通濾波器的排列。
基本原則
構(gòu)成 Pi 濾波器的三個組件分別起到阻止交流電流和通過直流電流的作用。輸入電容器執(zhí)行過濾掉交流分量的第一階段也是最重要的階段。接下來，電感器執(zhí)行下一個濾波階段，有效地消除任何紋波。最后，輸出電容器過濾通過電感器的任何交流分量。
特征
Pi 濾波器將以最小的電流消耗產(chǎn)生高輸出電壓，僅在輸出端產(chǎn)生非常小的壓降。與不同濾波器類型相比，它的另一個主要優(yōu)勢是良好的紋波降低。然而，當負載施加到輸出時，任何流過濾波器的電流都會導(dǎo)致電壓下降，因此 Pi 濾波器無法提供電壓調(diào)節(jié)。該電流還將流經(jīng)電感器，這意味著在具有高輸出電壓的應(yīng)用中需要具有高額定功率的電感器。這種限制還必須與高輸入電容要求和高額定電壓相權(quán)衡。此外，此類組件體積龐大且價格昂貴，會影響電路板設(shè)計。
電壓調(diào)節(jié)
Pi 濾波器需要穩(wěn)定的輸出電壓才能有效。不斷變化的輸出負載或高電流漂移將導(dǎo)致電壓調(diào)節(jié)不佳。它們的交流供電電源應(yīng)用通常緊接在橋式整流器電路之后和開關(guān)模式控制電路之前。它們的作用是最小化電源電路轉(zhuǎn)換器級輸入端整流電源線上的紋波。
電源隔離
用變壓器代替低通 Pi 濾波器中的電感器將提供相同的紋波過濾功能，但具有在整流器輸出和開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器之間提供隔離的好處。另一個好處是變壓器還將提供兩路共模噪聲過濾。在一個方向上，它減少了出現(xiàn)在整流器輸出端的交流輸入端的噪聲。另一方面，它可以防止開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器電路產(chǎn)生的高頻噪聲通過電源傳導(dǎo)回電源線。在此配置中，Pi 濾波器也稱為電源線濾波器。
阻抗匹配
Pi 濾波器相對于簡單 LC 濾波器的一個好處是它們?yōu)殡娐吩O(shè)計人員提供了更大的阻抗匹配靈活性。一個簡單的 LC 濾波器將只有單個組件值，其中濾波器為給定頻率產(chǎn)生所需的阻抗。相比之下，Pi 濾波器將具有多個組件值組合，所有這些組合都會產(chǎn)生給定頻率所需的阻抗。不同的選項將各自具有不同的 Q 因子，允許設(shè)計人員選擇最適合他們正在設(shè)計的電路的諧振行為，并權(quán)衡效率。
設(shè)計約束
對于標準 Pi 濾波器，組件的典型尺寸和重量需要分配大量的電路板面積。它們還需要仔細安裝，以防止任何外部振動轉(zhuǎn)化為組件的物理位移，從而導(dǎo)致其引線和連接到 PCB 的焊點開裂。
Pi 濾波器通常用于高功率應(yīng)用。因此，濾波器組件之間的走線需要盡可能短，并在連接和走線中使用盡可能低的電流密度。在涉及高電流的情況下，電感器/變壓器將需要熱管理以防止過度加熱效應(yīng)。
在需要隔離的情況下，電源線濾波器可作為獨立的現(xiàn)成單元并入設(shè)計中或作為電源連接電路中的外部元件處理。此選項將帶來更高的單位成本，從而簡化電路板設(shè)計并可能降低總體制造成本。
概括
Pi 濾波器有助于減少電源電路中的電源紋波，只要任何物理尺寸和重量限制以及熱管理問題不妨礙它們的使用。它們的電壓調(diào)節(jié)限制使其不適合用作輸出濾波器，但它們非常適合作為電源電路中的中間濾波器級。基于變壓器的 Pi 濾波器還為安全相關(guān)應(yīng)用的設(shè)計提供電源隔離，這是一個額外的好處。