Conceptions de filtres Pi pour les alimentations

Les filtres Pi sont un type de filtre passif qui tire son nom de l'arrangement des trois composants constitutifs en forme de la lettre grecque Pi (π). Les filtres Pi peuvent être conçus comme des filtres passe-bas ou passe-haut, selon les composants utilisés.

Le filtre passe-bas utilisé pour le filtre d'alimentation est formé d'une bobine d'inductance en série entre l'entrée et la sortie avec deux condensateurs, l'un en travers de l'entrée et l'autre en travers de la sortie. L'application principale des filtres Pi dans les alimentations est de lisser la sortie d'un redresseur en agissant comme un filtre passe-bas.

L'équivalent du filtre passe-haut est formé en utilisant un condensateur en série entre l'entrée et la sortie avec deux bobines d'inductance, l'une en travers de l'entrée et l'autre en travers de la sortie.

Cet article se concentrera uniquement sur l'arrangement du filtre passe-bas.

Principes de base

Les trois composants qui forment le filtre Pi agissent chacun pour bloquer le flux de courant alternatif et laisser passer le flux de courant continu. Le condensateur d'entrée effectue la première et principale étape de filtrage de la composante AC. Ensuite, la bobine d'inductance effectue l'étape de filtrage suivante, en éliminant efficacement tout ripple. Enfin, le condensateur de sortie filtre toute composante AC qui a traversé la bobine d'inductance.

Caractéristiques

Le filtre Pi produira une tension de sortie élevée avec un drain de courant minimal, ne produisant qu'une très faible chute de tension à la sortie. Son autre principal avantage par rapport aux différents types de filtres est la bonne réduction de l'ondulation. Cependant, tout flux de courant à travers le filtre lorsqu'une charge est appliquée à la sortie entraînera une chute de tension, et donc le filtre Pi ne peut pas fournir de régulation de tension. Ce courant circulera également à travers l'inducteur, ce qui signifie qu'un inducteur avec une puissance nominale élevée sera nécessaire dans les applications avec une tension de sortie élevée. Cette limitation doit également être mise en balance avec les exigences de haute capacité d'entrée et de haute tension nominale. De plus, de tels composants seront volumineux et coûteux, impactant la conception de la carte.

Régulation de Tension

Le filtre Pi nécessite une tension de sortie stable pour être efficace. Une charge de sortie constamment changeante ou une dérive de courant élevée entraînera une mauvaise régulation de tension. Leur application dans les alimentations électriques AC est typiquement juste après le circuit de redressement en pont et avant le circuit de commande en mode commuté. Ils agissent pour minimiser l'ondulation sur la ligne de puissance redressée à l'entrée du stade convertisseur du circuit d'alimentation.

Isolation de l'Alimentation

Remplacer l'inducteur dans le filtre passe-bas de type Pi par un transformateur fournira la même fonction de filtrage de l'ondulation, mais avec l'avantage de fournir une isolation entre la sortie du redresseur et le convertisseur de puissance à découpage. Un avantage supplémentaire est que le transformateur fournira également un filtrage du bruit en mode commun dans les deux sens. Dans un sens, il réduit le bruit présent sur l'entrée AC qui apparaîtra à la sortie du redresseur. Dans l'autre sens, il empêche le bruit haute fréquence généré par le circuit du convertisseur de puissance à découpage d'être conduit en retour à travers l'alimentation et sur la ligne principale. Dans cette configuration, le filtre Pi est également connu sous le nom de filtre de Ligne de Puissance.

Adaptation d'Impédance

Un avantage des filtres Pi par rapport aux simples filtres L-C est la plus grande flexibilité qu'ils offrent au concepteur de circuits pour l'adaptation d'impédance. Un simple filtre L-C n'aura que des valeurs de composants uniques où le filtre produit l'impédance requise pour une fréquence donnée. En revanche, le filtre Pi aura plusieurs combinaisons de valeurs de composants qui produisent toutes l'impédance nécessaire pour la fréquence donnée. Les différentes options auront chacune un facteur Q différent, permettant au concepteur de choisir un comportement de résonance qui convient le mieux au circuit qu'ils conçoivent dans un compromis avec l'efficacité.

Contraintes de conception

Pour un filtre Pi standard, la taille et le poids typiques des composants nécessiteront l'allocation d'une zone importante de la carte. Ils nécessiteront également un montage soigneux pour éviter que toute vibration externe ne se traduise par un déplacement physique des composants pouvant entraîner des fissures dans leurs pattes et les joints de soudure où ils se connectent au PCB.

Les filtres Pi sont typiquement utilisés dans des applications à haute puissance. Ainsi, les pistes entre les composants du filtre devront être maintenues aussi courtes que possible et avec une densité de courant aussi faible que possible dans les connexions et les pistes. Lorsque de forts courants sont impliqués, l'inducteur/transformateur nécessitera une gestion thermique pour éviter les effets de chauffage excessifs.

Lorsqu'une isolation est requise, alors des filtres de ligne électrique sont disponibles en tant qu'unités autonomes prêtes à l'emploi intégrées dans la conception ou traitées comme un élément externe dans le circuit de connexion au réseau. Cette option sera plus coûteuse à l'unité, simplifiant la conception de la carte et potentiellement réduisant les coûts de fabrication globaux.

Résumé

Les filtres Pi sont efficaces pour réduire le bruit de l'alimentation électrique dans un circuit d'alimentation, tant que les contraintes de taille et de poids physiques ainsi que les problèmes de gestion thermique ne limitent pas leur utilisation. Leurs limitations en matière de régulation de tension les rendent inadaptés comme filtre de sortie, mais ils sont idéaux comme étage de filtrage intermédiaire au sein du circuit d'alimentation. Un filtre Pi basé sur un transformateur offre également une isolation électrique dans la conception, ce qui représente un avantage supplémentaire pour les applications liées à la sécurité.

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