Thiết kế Bộ lọc Pi cho Nguồn cấp điện

Bộ lọc Pi là một loại bộ lọc bị động, có tên gọi dựa trên sự sắp xếp của ba thành phần cấu thành theo hình dạng của chữ cái Hy Lạp Pi (π). Bộ lọc Pi có thể được thiết kế như là bộ lọc thông thấp hoặc thông cao, tùy thuộc vào các thành phần được sử dụng.

Bộ lọc thông thấp được sử dụng cho việc lọc nguồn cung cấp điện được tạo thành từ một cuộn cảm nối tiếp giữa đầu vào và đầu ra với hai tụ điện, một ở đầu vào và một ở đầu ra. Ứng dụng chính của bộ lọc Pi trong nguồn cung cấp điện là làm mịn đầu ra của bộ chỉnh lưu bằng cách hoạt động như một bộ lọc thông thấp.

Bộ lọc thông cao tương đương được tạo thành bằng cách sử dụng một tụ điện nối tiếp giữa đầu vào và đầu ra với hai cuộn cảm, một ở đầu vào và một ở đầu ra.

Bài viết này chỉ xem xét sắp xếp bộ lọc thông thấp.

Nguyên tắc Cơ bản

Ba thành phần tạo nên bộ lọc Pi mỗi thành phần đều hoạt động để chặn dòng điện xoay chiều và cho phép dòng điện một chiều đi qua. Tụ điện đầu vào thực hiện giai đoạn lọc đầu tiên và quan trọng nhất là lọc bỏ thành phần AC. Tiếp theo, cuộn cảm thực hiện giai đoạn lọc tiếp theo, loại bỏ hiệu quả mọi sóng nhấp nhô. Cuối cùng, tụ điện đầu ra lọc bất kỳ thành phần AC nào đã đi qua cuộn cảm.

Đặc điểm

Bộ lọc Pi sẽ tạo ra một điện áp đầu ra cao với dòng điện tiêu thụ tối thiểu, chỉ tạo ra một sự sụt áp rất nhỏ tại đầu ra. Lợi thế chính khác của nó so với các loại bộ lọc khác là khả năng giảm sóng rất tốt. Tuy nhiên, bất kỳ dòng điện nào chảy qua bộ lọc khi một tải được áp dụng vào đầu ra sẽ dẫn đến sự sụt áp, và do đó bộ lọc Pi không thể cung cấp điều chỉnh điện áp. Dòng điện này cũng sẽ chảy qua cuộn cảm, nghĩa là một cuộn cảm có công suất cao sẽ được yêu cầu trong các ứng dụng với điện áp đầu ra cao. Hạn chế này cũng phải được cân nhắc với yêu cầu về dung lượng tụ điện đầu vào cao và điện áp định mức cao. Ngoài ra, các linh kiện như vậy sẽ cồng kềnh và đắt đỏ, ảnh hưởng đến thiết kế bảng mạch.

Điều Chỉnh Điện Áp

Bộ lọc Pi yêu cầu một điện áp đầu ra ổn định để có hiệu quả. Một tải đầu ra thay đổi liên tục hoặc dòng điện cao biến động sẽ dẫn đến điều chỉnh điện áp kém. Ứng dụng của chúng trong nguồn cung cấp điện AC thường ngay sau mạch chỉnh lưu cầu và trước mạch điều khiển chuyển đổi. Chúng hoạt động để giảm thiểu sóng trên dòng điện chỉnh lưu tại đầu vào của giai đoạn chuyển đổi của mạch nguồn cung cấp.

Cô Lập Nguồn Cung

Thay thế cuộn cảm trong bộ lọc Pi thông thấp bằng một biến áp sẽ cung cấp chức năng lọc nhiễu giống nhau nhưng với lợi ích là cung cấp sự cách ly giữa đầu ra của bộ chỉnh lưu và bộ chuyển đổi công suất chế độ chuyển mạch. Một lợi ích bổ sung là biến áp cũng sẽ cung cấp lọc nhiễu chung hai chiều. Trong một hướng, nó giảm nhiễu hiện diện trên đầu vào AC sẽ xuất hiện tại đầu ra của bộ chỉnh lưu. Trong hướng khác, nó ngăn chặn nhiễu tần số cao được tạo ra bởi mạch bộ chuyển đổi công suất chế độ chuyển mạch từ được dẫn trở lại qua nguồn cung cấp và ra đường dây chính. Trong cấu hình này, bộ lọc Pi còn được biết đến là bộ lọc Đường Dây Điện.

Khớp Trở Kháng

Một lợi ích của bộ lọc Pi so với bộ lọc L-C đơn giản là sự linh hoạt lớn hơn mà chúng cung cấp cho nhà thiết kế mạch trong việc khớp trở kháng. Một bộ lọc L-C đơn giản chỉ có giá trị linh kiện đơn lẻ nơi bộ lọc tạo ra trở kháng cần thiết cho một tần số nhất định. Ngược lại, bộ lọc Pi sẽ có nhiều kết hợp giá trị linh kiện tất cả đều tạo ra trở kháng cần thiết cho tần số đã cho. Các lựa chọn khác nhau sẽ có Q-factor khác nhau, cho phép nhà thiết kế chọn một hành vi cộng hưởng phù hợp nhất với mạch họ đang thiết kế trong một sự đánh đổi với hiệu quả.

Ràng Buộc Thiết Kế

Đối với bộ lọc Pi tiêu chuẩn, kích thước và trọng lượng điển hình của các linh kiện sẽ yêu cầu phải dành một diện tích đáng kể trên bảng mạch. Chúng cũng đòi hỏi phải được lắp đặt cẩn thận để ngăn chặn bất kỳ rung động bên ngoài nào chuyển thành sự dịch chuyển vật lý của các linh kiện có thể dẫn đến nứt gãy ở chân linh kiện và các mối hàn nơi chúng kết nối với PCB.

Bộ lọc Pi thường được sử dụng trong ứng dụng công suất cao. Do đó, các đường dẫn giữa các linh kiện của bộ lọc cần được giữ ngắn nhất có thể và với mật độ dòng điện thấp nhất có thể trong các kết nối và đường dẫn. Khi có dòng điện cao, cuộn cảm/biến áp sẽ yêu cầu quản lý nhiệt để ngăn chặn hiệu ứng nhiệt quá mức.

Khi cần cách ly, sau đó bộ lọc dòng điện có sẵn dưới dạng các đơn vị độc lập có sẵn trên kệ được tích hợp vào thiết kế hoặc được xem xét như một yếu tố bên ngoài trong mạch kết nối dòng điện chính. Lựa chọn này sẽ có chi phí đơn vị cao hơn, đơn giản hóa thiết kế bảng mạch và có khả năng giảm chi phí sản xuất tổng thể.

Tóm Tắt

Bộ lọc Pi rất hiệu quả trong việc giảm nhiễu nguồn cấp điện trong mạch nguồn cấp, miễn là các hạn chế về kích thước vật lý, trọng lượng và vấn đề quản lý nhiệt không loại trừ việc sử dụng chúng. Các hạn chế về điều chỉnh điện áp khiến chúng không phù hợp để sử dụng làm bộ lọc đầu ra, nhưng chúng lý tưởng để sử dụng làm giai đoạn lọc trung gian trong mạch nguồn cấp. Bộ lọc Pi dựa trên biến áp còn cung cấp lợi ích bổ sung là cô lập nguồn điện trong thiết kế cho các ứng dụng liên quan đến an toàn.

Có thêm câu hỏi? Hãy liên hệ với chuyên gia tại Altium để khám phá cách chúng tôi có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của bạn. Bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí của Altium Designer tại đây.