전원 공급 장치를 위한 파이 필터 설계

파이 필터는 그리스 문자 파이(π) 모양의 세 구성 요소의 배치에서 이름을 따온 수동 필터 유형입니다. 파이 필터는 사용된 구성 요소에 따라 저역 통과 필터 또는 고역 통과 필터로 설계될 수 있습니다.

전원 공급 장치 필터링에 사용되는 저역 통과 필터는 입력과 출력 사이에 직렬로 연결된 인덕터와 입력에 걸쳐 있는 하나의 커패시터 및 출력에 걸쳐 있는 또 다른 커패시터로 구성됩니다. 파이 필터가 전원 공급 장치에서 주로 사용되는 응용 분야는 저역 통과 필터로 작용하여 정류기의 출력을 부드럽게 하는 것입니다.

고역 통과 필터의 동등한 것은 입력과 출력 사이에 직렬로 연결된 커패시터와 입력에 걸쳐 있는 하나의 인덕터 및 출력에 걸쳐 있는 또 다른 인덕터를 사용하여 형성됩니다.

이 글에서는 저역 통과 필터 구성만 살펴볼 것입니다.

기본 원리

파이 필터를 구성하는 세 구성 요소는 각각 교류 전류의 흐름을 차단하고 직류 전류의 흐름을 통과시킵니다. 입력 커패시터는 AC 성분을 필터링하는 첫 번째이자 가장 중요한 단계를 수행합니다. 다음으로, 인덕터는 다음 필터링 단계를 수행하여 모든 리플을 효과적으로 제거합니다. 마지막으로, 출력 커패시터는 인덕터를 통과한 AC 성분을 필터링합니다.

특성

Pi 필터는 최소한의 전류 소모로 높은 출력 전압을 생성하며, 출력에서 매우 작은 전압 강하만을 발생시킵니다. 다른 필터 유형에 비해 주요한 장점은 좋은 리플 감소입니다. 그러나 출력에 부하가 적용될 때 필터를 통한 어떠한 전류 흐름도 전압 강하를 초래할 것이므로, Pi 필터는 전압 조절을 제공할 수 없습니다. 이 전류는 또한 인덕터를 통해 흐르게 되므로, 높은 출력 전압을 가진 애플리케이션에서는 고전력 등급의 인덕터가 필요할 것입니다. 이러한 제한은 높은 입력 커패시턴스 요구사항과 높은 전압 등급과도 균형을 맞춰야 합니다. 또한, 이러한 구성 요소는 부피가 크고 비싸며 보드 디자인에 영향을 미칠 것입니다.

전압 조절

Pi 필터는 효과적이기 위해 안정된 출력 전압이 필요합니다. 지속적으로 변하는 출력 부하나 높은 전류 드리프트는 전압 조절이 불량하게 될 것입니다. 그들의 AC 전원 공급 장치 애플리케이션은 일반적으로 브리지 정류 회로 바로 뒤와 스위치 모드 제어 회로 전에 위치합니다. 그들은 전력 공급 회로의 컨버터 단계 입력에 대한 정류된 전력선의 리플을 최소화하기 위해 작용합니다.

공급 분리

저역 통과 파이 필터에서 인덕터를 변압기로 교체하면 같은 리플 필터링 기능을 제공하면서 정류기 출력과 스위치 모드 전원 변환기 사이의 격리를 제공하는 이점이 있습니다. 추가적인 이점으로는 변압기가 양방향 공통 모드 노이즈 필터링도 제공한다는 것입니다. 한 방향에서는 AC 입력에 존재하는 노이즈가 정류기 출력에 나타나는 것을 줄입니다. 다른 방향에서는 스위치 모드 전원 변환기 회로에 의해 생성된 고주파 노이즈가 전원 공급 장치를 통해 되돌아가고 메인 라인에 전달되는 것을 방지합니다. 이 구성에서 파이 필터는 또한 전력선 필터로 알려져 있습니다.

임피던스 매칭

단순 L-C 필터보다 파이 필터의 이점은 회로 설계자에게 임피던스 매칭을 위한 더 큰 유연성을 제공한다는 것입니다. 단순 L-C 필터는 주어진 주파수에 대해 필터가 필요한 임피던스를 생성하는 단일 구성 요소 값을 가집니다. 반면에, 파이 필터는 주어진 주파수에 필요한 임피던스를 모두 생성하는 여러 구성 요소 값의 조합을 가질 것입니다. 다른 옵션은 각각 다른 Q-팩터를 가지며, 이를 통해 설계자는 효율성과의 타협에서 회로에 가장 적합한 공진 행동을 선택할 수 있습니다.

디자인 제약 사항

표준 파이 필터의 경우, 일반적인 크기와 무게 때문에 상당한 보드 면적을 할당해야 합니다. 또한 외부 진동이 구성 요소의 물리적 이동으로 전환되어 리드와 PCB에 연결된 솔더 조인트에서 균열이 발생하는 것을 방지하기 위해 주의 깊게 장착해야 합니다.

파이 필터는 일반적으로 고전력 애플리케이션에서 사용됩니다. 따라서 필터 구성 요소 간의 트레이스는 가능한 한 짧게 유지하고 연결 및 트레이스에서 가능한 한 낮은 전류 밀도를 유지해야 합니다. 고전류가 관련된 경우, 인덕터/트랜스포머는 과도한 발열 효과를 방지하기 위해 열 관리가 필요합니다.

격리가 필요한 경우, 전원 라인 필터는 설계에 통합되거나 주 전원 연결 회로에서 외부 요소로 처리되는 독립형 완제품으로 제공됩니다. 이 옵션은 더 높은 단위 비용을 수반하지만, 보드 디자인을 단순화하고 전체 제조 비용을 줄일 수 있습니다.

요약

파이 필터는 물리적 크기 및 무게 제약과 열 관리 문제가 사용을 방해하지 않는 한, 전원 공급 장치 회로 내에서 전원 공급 리플을 줄이는 데 적합합니다. 그들의 전압 조절 한계로 인해 출력 필터로는 적합하지 않지만, 전원 공급 장치 회로 내에서 중간 필터 단계로 이상적입니다. 변압기 기반 파이 필터는 안전 관련 응용 프로그램을 위한 설계에 전력 격리를 추가적인 이점으로 제공합니다.

더 궁금한 점이 있으신가요? Altium의 전문가에게 문의해보세요. 다음 PCB 설계를 어떻게 도와드릴 수 있는지 알아보세요. 여기에서 Altium Designer의 무료 체험판을 다운로드할 수 있습니다.