Progettazione di filtri Pi per alimentatori

I filtri Pi sono un tipo di filtro passivo che prende il nome dalla disposizione dei tre componenti costituenti a forma della lettera greca Pi (π). I filtri Pi possono essere progettati come filtri passa-basso o passa-alto, a seconda dei componenti utilizzati.

Il filtro passa-basso utilizzato per la filtrazione dell'alimentazione è formato da un induttore in serie tra l'ingresso e l'uscita con due condensatori, uno attraverso l'ingresso e l'altro attraverso l'uscita. La principale applicazione dei filtri Pi nelle alimentazioni è quella di levigare l'uscita di un raddrizzatore agendo come un filtro passa-basso.

L'equivalente filtro passa-alto è formato utilizzando un condensatore in serie tra l'ingresso e l'uscita con due induttori, uno attraverso l'ingresso e l'altro attraverso l'uscita.

Questo articolo esaminerà solo la disposizione del filtro passa-basso.

Principi Base

I tre componenti che formano il filtro Pi agiscono ciascuno per bloccare il flusso di corrente alternata e permettere il passaggio di corrente continua. Il condensatore di ingresso esegue la prima e più importante fase di filtraggio della componente AC. Successivamente, l'induttore esegue la fase successiva di filtraggio, rimuovendo efficacemente qualsiasi ondulazione. Infine, il condensatore di uscita filtra qualsiasi componente AC che è passata attraverso l'induttore.

Caratteristiche

Il filtro Pi produrrà un'alta tensione di uscita con un minimo consumo di corrente, generando solo una piccola caduta di tensione all'uscita. Il suo altro principale vantaggio rispetto ad altri tipi di filtri è la buona riduzione del ripple. Tuttavia, qualsiasi flusso di corrente attraverso il filtro quando un carico viene applicato all'uscita comporterà una caduta di tensione, e quindi il filtro Pi non può fornire regolazione della tensione. Questa corrente fluirà anche attraverso l'induttore, il che significa che in applicazioni con un'alta tensione di uscita sarà necessario un induttore con una alta potenza nominale. Questa limitazione deve anche essere bilanciata con i requisiti di alta capacità di ingresso e alta valutazione di tensione. Inoltre, tali componenti saranno ingombranti e costosi, influenzando il design della scheda.

Regolazione della Tensione

Il filtro Pi richiede una tensione di uscita stabile per essere efficace. Un carico di uscita in continuo cambiamento o un'alta deriva di corrente comporterà una scarsa regolazione della tensione. La loro applicazione in alimentatori alimentati in AC è tipicamente immediatamente dopo il circuito del raddrizzatore a ponte e prima del circuito di controllo in modalità commutata. Agiscono per minimizzare il ripple sulla linea di alimentazione raddrizzata all'ingresso allo stadio convertitore del circuito di alimentazione.

Isolamento dell'Alimentazione

Sostituire l'induttore nel filtro passa-basso a Pi con un trasformatore fornirà la stessa funzione di filtraggio del ripple ma con il vantaggio di fornire isolamento tra l'uscita del raddrizzatore e il convertitore di potenza switch-mode. Un ulteriore vantaggio è che il trasformatore fornirà anche un filtraggio del rumore in modo comune bidirezionale. In una direzione, riduce il rumore presente sull'ingresso AC che apparirà all'uscita del raddrizzatore. Nell'altra direzione, impedisce al rumore ad alta frequenza generato dal circuito del convertitore di potenza switch-mode di essere condotto indietro attraverso l'alimentatore e sulla linea principale. In questa configurazione, il filtro a Pi è anche noto come filtro di linea di alimentazione.

Adattamento dell'Impedenza

Un vantaggio dei filtri a Pi rispetto ai semplici filtri L-C è la maggiore flessibilità che offrono al progettista del circuito per l'adattamento dell'impedenza. Un semplice filtro L-C avrà solo valori di componenti singoli dove il filtro produce l'impedenza richiesta per una data frequenza. Al contrario, il filtro a Pi avrà molteplici combinazioni di valori dei componenti che producono tutti l'impedenza necessaria per la data frequenza. Le diverse opzioni avranno ciascuna un diverso fattore Q, permettendo al progettista di scegliere un comportamento di risonanza che si adatta meglio al circuito che stanno progettando in un compromesso con l'efficienza.

Vincoli di Progettazione

Per un filtro Pi standard, la dimensione e il peso tipici dei componenti richiederanno l'allocazione di un'area significativa della scheda. Sarà inoltre necessario montarli con cura per prevenire che eventuali vibrazioni esterne si traducano in spostamenti fisici dei componenti che possono portare alla creazione di crepe nei loro terminali e nelle saldature dove si collegano al PCB.

I filtri Pi sono tipicamente utilizzati in applicazioni ad alta potenza. Pertanto, le tracce tra i componenti del filtro dovranno essere mantenute il più corte possibile e con una densità di corrente il più bassa possibile nei collegamenti e nelle tracce. Quando sono coinvolti alti livelli di corrente, l'induttore/trasformatore richiederà una gestione termica per prevenire effetti di surriscaldamento eccessivi.

Quando è richiesta l'isolazione, allora i filtri per linee di alimentazione sono disponibili come unità autonome pronte all'uso, incorporate nel progetto o trattate come un elemento esterno nel circuito di collegamento alla rete. Questa opzione comporterà un costo unitario più elevato, semplificando la progettazione della scheda e riducendo potenzialmente i costi di produzione complessivi.

Riassunto

I filtri Pi sono efficaci per ridurre l'ondulazione dell'alimentazione all'interno di un circuito di alimentazione, a patto che eventuali vincoli di dimensione e peso fisico e problemi di gestione termica non ne precludano l'uso. Le loro limitazioni nella regolazione della tensione li rendono inadatti come filtro di uscita, ma sono ideali come stadio di filtro intermedio all'interno del circuito di alimentazione. Un filtro Pi basato su trasformatore offre anche l'isolamento della potenza nel progetto per applicazioni legate alla sicurezza come vantaggio aggiunto.

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