Projektowanie filtrów Pi do zasilaczy

Filtry typu Pi to rodzaj filtru pasywnego, który zawdzięcza swoją nazwę układowi trzech składowych komponentów w kształcie greckiej litery Pi (π). Filtry Pi mogą być projektowane jako filtry dolnoprzepustowe lub górnoprzepustowe, w zależności od użytych komponentów.

Filtr dolnoprzepustowy używany do filtracji zasilania składa się z cewki indukcyjnej umieszczonej szeregowo między wejściem a wyjściem oraz dwóch kondensatorów, jednego na wejściu i drugiego na wyjściu. Głównym zastosowaniem filtrów Pi w zasilaczach jest wygładzanie wyjścia prostownika poprzez działanie jako filtr dolnoprzepustowy.

Odpowiednik filtru górnoprzepustowego tworzy się, używając kondensatora umieszczonego szeregowo między wejściem a wyjściem oraz dwóch cewek indukcyjnych, jednej na wejściu i drugiej na wyjściu.

Ten artykuł będzie skupiał się tylko na układzie filtru dolnoprzepustowego.

Podstawowe zasady

Trzy komponenty tworzące filtr Pi działają w taki sposób, że blokują przepływ prądu zmiennego i przepuszczają przepływ prądu stałego. Kondensator wejściowy wykonuje pierwszy i najważniejszy etap filtracji składowej AC. Następnie, cewka indukcyjna wykonuje kolejny etap filtracji, skutecznie usuwając wszelkie tętnienia. W końcu, kondensator wyjściowy filtruje wszelkie składowe AC, które przeszły przez cewkę indukcyjną.

Charakterystyka

Filtr typu Pi zapewnia wysokie napięcie wyjściowe przy minimalnym poborze prądu, generując tylko bardzo mały spadek napięcia na wyjściu. Inną główną zaletą w porównaniu z innymi typami filtrów jest dobra redukcja tętnień. Jednakże, każdy przepływ prądu przez filtr, gdy obciążenie jest przyłożone do wyjścia, spowoduje spadek napięcia, co oznacza, że filtr typu Pi nie może zapewnić regulacji napięcia. Prąd ten będzie również przepływał przez cewkę, co oznacza, że w aplikacjach z wysokim napięciem wyjściowym wymagana będzie cewka o wysokiej mocy. To ograniczenie musi być również rozważone w kontekście wysokich wymagań dotyczących pojemności wejściowej oraz wysokiej oceny napięcia. Ponadto, takie komponenty będą masywne i drogie, co wpłynie na projekt płytki.

Regulacja Napięcia

Filtr typu Pi wymaga stabilnego napięcia wyjściowego, aby być skutecznym. Ciągle zmieniające się obciążenie wyjściowe lub wysoki dryft prądu spowodują słabą regulację napięcia. Ich zastosowanie w zasilaczach zasilanych prądem przemiennym typowo następuje bezpośrednio po obwodzie prostownika mostkowego i przed obwodem sterowania przetwornicą. Działają one na rzecz minimalizacji tętnień na zasilaniu prostowanym na wejściu do etapu konwertera obwodu zasilającego.

Izolacja Zasilania

Zastąpienie dławika w filtrze Pi niskoprzepustowym transformatorem zapewni tę samą funkcję filtracji tętnień, ale z dodatkową korzyścią izolacji między wyjściem prostownika a przetwornicą impulsową. Dodatkową zaletą jest to, że transformator zapewni również dwukierunkową filtrację szumów wspólnych. W jednym kierunku redukuje szumy obecne na wejściu AC, które pojawią się na wyjściu prostownika. W przeciwnym kierunku zapobiega przenoszeniu wysokoczęstotliwościowych szumów generowanych przez obwód przetwornicy impulsowej z powrotem przez zasilacz i na linię sieciową. W tej konfiguracji filtr Pi jest również znany jako filtr sieci zasilającej.

Dopasowanie Impedancji

Jedną z zalet filtrów Pi nad prostymi filtrami L-C jest większa elastyczność, jaką oferują projektantowi obwodów pod kątem dopasowania impedancji. Prosty filtr L-C będzie miał tylko pojedyncze wartości komponentów, gdzie filtr produkuje wymaganą impedancję dla danej częstotliwości. W przeciwieństwie do tego, filtr Pi będzie miał wiele kombinacji wartości komponentów, które wszystkie produkują impedancję niezbędną dla danej częstotliwości. Różne opcje będą miały różny współczynnik Q, pozwalając projektantowi wybrać zachowanie rezonansowe, które najlepiej odpowiada projektowanemu obwodowi w kompromisie z efektywnością.

Ograniczenia projektowe

W przypadku standardowego filtra typu Pi, typowy rozmiar i waga komponentów wymagają przydzielenia znacznej powierzchni płytki. Będą one również wymagały starannego montażu, aby zapobiec przenoszeniu się zewnętrznych wibracji na fizyczne przemieszczenie komponentów, co może prowadzić do pęknięć ich wyprowadzeń oraz złączy lutowniczych, gdzie łączą się z PCB.

Filtry typu Pi są zazwyczaj używane w aplikacjach wysokomocowych. Dlatego ścieżki między komponentami filtra powinny być utrzymane jak najkrótsze i z jak najniższą gęstością prądu w połączeniach i ścieżkach. Gdzie występują wysokie prądy, cewka/transformator będzie wymagać zarządzania termicznego, aby zapobiec nadmiernemu efektowi nagrzewania.

W przypadku wymaganej izolacji, filtry sieciowe są dostępne jako gotowe jednostki do włączenia do projektu lub traktowane jako zewnętrzny element w obwodzie połączenia sieciowego. Ta opcja wiąże się z wyższym kosztem jednostkowym, upraszczając projekt płytki i potencjalnie obniżając ogólne koszty produkcji.

Podsumowanie

Filtry typu Pi są dobre do redukcji tętnień zasilania w obwodzie zasilającym, o ile ograniczenia fizycznych rozmiarów i wagi oraz problemy z zarządzaniem ciepłem nie uniemożliwiają ich stosowania. Ich ograniczenia w regulacji napięcia sprawiają, że nie nadają się do użycia jako filtr wyjściowy, ale są idealne jako pośredni etap filtracji w obwodzie zasilającym. Filtr typu Pi oparty na transformatorze dostarcza również izolację mocy do projektu dla zastosowań związanych z bezpieczeństwem jako dodatkową korzyść.

Masz więcej pytań? Skontaktuj się z ekspertem w Altium i dowiedz się, jak możemy pomóc Ci w Twoim kolejnym projekcie PCB. Możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer tutaj.