Designs de Filtro Pi para Fontes de Alimentação

Os Filtros Pi são um tipo de filtro passivo que recebe esse nome devido ao arranjo dos três componentes constituintes na forma da letra grega Pi (π). Os filtros Pi podem ser projetados como filtros de passa-baixa ou passa-alta, dependendo dos componentes utilizados.

O filtro de passa-baixa utilizado para filtragem de fonte de alimentação é formado por um indutor em série entre a entrada e a saída com dois capacitores, um em paralelo com a entrada e outro em paralelo com a saída. A principal aplicação dos filtros Pi em fontes de alimentação é suavizar a saída de um retificador atuando como um filtro de passa-baixa.

O equivalente do filtro de passa-alta é formado usando um capacitor em série entre a entrada e a saída com dois indutores, um em paralelo com a entrada e outro em paralelo com a saída.

Este artigo focará apenas na configuração do filtro de passa-baixa.

Princípios Básicos

Os três componentes que formam o filtro Pi atuam cada um para bloquear o fluxo de corrente alternada e permitir o fluxo de corrente contínua. O capacitor de entrada realiza a primeira e mais importante etapa de filtragem da componente AC. Em seguida, o indutor realiza a próxima etapa de filtragem, removendo efetivamente qualquer ondulação. Finalmente, o capacitor de saída filtra qualquer componente AC que tenha passado pelo indutor.

Características

O filtro Pi produzirá uma alta tensão de saída com drenagem mínima de corrente, produzindo apenas uma pequena queda de tensão na saída. Sua outra grande vantagem sobre os diferentes tipos de filtro é a boa redução de ripple. No entanto, qualquer fluxo de corrente através do filtro quando uma carga é aplicada à saída resultará em uma queda de tensão, e assim o filtro Pi não pode fornecer regulação de tensão. Essa corrente também fluirá através do indutor, o que significa que um indutor com uma alta classificação de potência será necessário em aplicações com alta tensão de saída. Essa limitação também deve ser ponderada com os requisitos de alta capacitância de entrada e alta classificação de tensão. Além disso, tais componentes serão volumosos e caros, impactando o design da placa.

Regulação de Tensão

O filtro Pi requer uma tensão de saída estável para ser eficaz. Uma carga de saída constantemente variável ou alta deriva de corrente resultará em má regulação de tensão. Sua aplicação em fontes de alimentação AC é tipicamente imediatamente após o circuito retificador de ponte e antes do circuito de controle do modo de comutação. Eles atuam para minimizar o ripple na linha de energia retificada na entrada para o estágio conversor do circuito de fornecimento de energia.

Isolamento de Suprimento

Substituir o indutor no filtro Pi passa-baixa por um transformador fornecerá a mesma função de filtragem de ondulação, mas com o benefício de proporcionar isolamento entre a saída do retificador e o conversor de energia switch-mode. Um benefício adicional é que o transformador também proporcionará filtragem de ruído de modo comum bidirecional. Em uma direção, reduz o ruído presente na entrada AC que aparecerá na saída do retificador. Na outra direção, impede que o ruído de alta frequência gerado pelo circuito do conversor de energia switch-mode seja conduzido de volta através da fonte de alimentação e para a linha principal. Nesta configuração, o filtro Pi também é conhecido como um filtro de Linha de Energia.

Compatibilidade de Impedância

Um benefício dos filtros Pi sobre os simples filtros L-C é a maior flexibilidade que oferecem ao projetista de circuitos para a compatibilidade de impedância. Um simples filtro L-C só terá valores de componentes únicos onde o filtro produz a impedância necessária para uma determinada frequência. Em contraste, o filtro Pi terá múltiplas combinações de valores de componentes que produzem a impedância necessária para a frequência dada. As diferentes opções terão cada uma um fator Q diferente, permitindo ao projetista escolher um comportamento de ressonância que melhor se adapte ao circuito que estão projetando em um compromisso com a eficiência.

Restrições de Design

Para um filtro Pi padrão, o tamanho e o peso típicos dos componentes exigirão a alocação de uma área significativa da placa. Eles também exigirão uma montagem cuidadosa para evitar que quaisquer vibrações externas se traduzam no deslocamento físico dos componentes, o que pode levar a rachaduras em suas terminações e nas juntas de solda onde se conectam à PCB.

Os filtros Pi são tipicamente usados em aplicações de alta potência. Portanto, as trilhas entre os componentes do filtro precisarão ser mantidas o mais curtas possível e com a menor densidade de corrente possível nas conexões e trilhas. Onde correntes altas estão envolvidas, o indutor/transformador exigirá gerenciamento térmico para evitar efeitos de aquecimento excessivo.

Quando a isolamento é necessário, então os filtros de linha de energia estão disponíveis como unidades autônomas prontas para uso incorporadas ao design ou tratadas como um elemento externo no circuito de conexão da rede elétrica. Esta opção terá um custo unitário maior, simplificando o design da placa e potencialmente reduzindo os custos gerais de fabricação.

Resumo

Os filtros Pi são bons para reduzir o ripple de alimentação dentro de um circuito de fornecimento de energia, desde que quaisquer restrições de tamanho e peso físico e problemas de gestão térmica não impeçam seu uso. Suas limitações de regulação de tensão os tornam inadequados para uso como filtro de saída, mas são ideais como um estágio de filtro intermediário dentro do circuito de fornecimento de energia. Um filtro Pi baseado em transformador também oferece isolamento de energia no design para aplicações relacionadas à segurança como um benefício adicional.

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