Конструкции Пи-фильтров для источников питания

Фильтры Пи представляют собой тип пассивного фильтра, название которого происходит от расположения трех составляющих компонентов в форме греческой буквы Пи (π). Фильтры Пи могут быть разработаны как фильтры нижних, так и верхних частот, в зависимости от используемых компонентов.

Фильтр нижних частот, используемый для фильтрации питания, состоит из индуктора, включенного последовательно между входом и выходом, с двумя конденсаторами, одним на входе и другим на выходе. Основное применение фильтров Пи в источниках питания заключается в сглаживании выхода выпрямителя, действуя как фильтр нижних частот.

Эквивалент фильтра верхних частот формируется путем использования конденсатора, включенного последовательно между входом и выходом, с двумя индукторами, одним на входе и другим на выходе.

В этой статье будет рассмотрена только схема фильтра нижних частот.

Основные принципы

Три компонента, формирующие фильтр Пи, каждый из которых действует для блокировки потока переменного тока и пропускания потока постоянного тока. Входной конденсатор выполняет первый и самый важный этап фильтрации компонента переменного тока. Затем индуктор выполняет следующий этап фильтрации, эффективно удаляя любые пульсации. Наконец, выходной конденсатор фильтрует любой компонент переменного тока, прошедший через индуктор.

Характеристики

Фильтр Пи обеспечивает высокое выходное напряжение при минимальном потреблении тока, создавая лишь очень небольшое падение напряжения на выходе. Его другое главное преимущество перед другими типами фильтров - хорошее снижение пульсаций. Однако любой ток, протекающий через фильтр при подключении нагрузки к выходу, приведет к падению напряжения, и поэтому фильтр Пи не может обеспечить регулирование напряжения. Этот ток также будет протекать через индуктор, что означает, что в приложениях с высоким выходным напряжением потребуется индуктор с высокой мощностью. Это ограничение также необходимо учитывать вместе с высокими требованиями к входной емкости и высоким номинальным напряжением. Кроме того, такие компоненты будут громоздкими и дорогими, что повлияет на дизайн платы.

Регулирование напряжения

Для эффективности фильтра Пи требуется стабильное выходное напряжение. Постоянно изменяющаяся выходная нагрузка или высокий дрейф тока приведут к плохому регулированию напряжения. Их применение в сетевых источниках питания обычно следует сразу после схемы мостового выпрямителя и перед схемой управления импульсным режимом. Они действуют для минимизации пульсаций на выпрямленной линии питания на входе в ступень преобразователя схемы питания.

Изоляция питания

Замена индуктора в фильтре нижних частот типа "пи" на трансформатор обеспечит ту же функцию фильтрации пульсаций, но с преимуществом обеспечения изоляции между выходом выпрямителя и импульсным преобразователем мощности. Дополнительным преимуществом является то, что трансформатор также обеспечивает двустороннюю фильтрацию общего режима помех. В одном направлении он уменьшает шум, присутствующий на входе переменного тока, который будет появляться на выходе выпрямителя. В другом направлении он предотвращает возвращение высокочастотного шума, генерируемого схемой импульсного преобразователя мощности, через блок питания обратно в сеть. В этой конфигурации фильтр типа "пи" также известен как фильтр силовой линии.

Согласование Импедансов

Преимущество фильтров типа "пи" перед простыми LC-фильтрами заключается в большей гибкости, которую они предоставляют разработчику схем для согласования импедансов. Простой LC-фильтр будет иметь только одно значение компонентов, при котором фильтр обеспечивает требуемый импеданс для данной частоты. В отличие от этого, фильтр типа "пи" будет иметь множество комбинаций значений компонентов, которые все обеспечивают необходимый импеданс для данной частоты. Различные варианты будут иметь разный коэффициент Q, позволяя разработчику выбрать поведение резонанса, которое лучше всего подходит для схемы, которую они разрабатывают, находя компромисс с эффективностью.

Ограничения в дизайне

Для стандартного П-образного фильтра типичные размеры и вес компонентов потребуют выделения значительной площади платы. Также потребуется тщательный монтаж, чтобы предотвратить передачу внешних вибраций в физическое перемещение компонентов, что может привести к появлению трещин в их выводах и паяных соединениях, где они соединяются с печатной платой.

П-образные фильтры обычно используются в приложениях с высокой мощностью. Поэтому следует держать трассы между компонентами фильтра как можно короче и с как можно меньшей плотностью тока в соединениях и трассах. В случаях, когда задействованы высокие токи, индуктор/трансформатор потребует термического управления для предотвращения чрезмерного нагрева.

Когда требуется изоляция, тогда фильтры линии питания доступны как отдельные готовые к использованию устройства, включаемые в дизайн или рассматриваемые как внешний элемент в цепи подключения к сети. Этот вариант будет стоить дороже, но упростит конструкцию платы и потенциально снизит общие производственные затраты.

Резюме

Пи-фильтры хорошо подходят для уменьшения пульсаций источника питания в цепи питания, если физические размеры и вес, а также проблемы с тепловым управлением не исключают их использование. Ограничения по регулированию напряжения делают их непригодными для использования в качестве выходного фильтра, но они идеально подходят в качестве промежуточного фильтрующего звена в цепи питания. Трансформаторный Пи-фильтр также обеспечивает изоляцию питания в дизайне для приложений, связанных с безопасностью, как дополнительное преимущество.

Есть еще вопросы? Обратитесь к эксперту в Altium и узнайте, как мы можем помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы. Вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer здесь.