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電源的 Pi 濾波器設計
電源的 Pi 濾波器設計
Pi 濾波器是一種無源濾波器，其名稱來源于三個組成部分以希臘字母 Pi (π) 的形狀排列。Pi 濾波器可以設計為低通或高通濾波器，具體取決于所使用的組件。
用于電源濾波的低通濾波器由在輸入和輸出之間串聯的電感器和兩個電容器組成，一個電容器跨接輸入端，另一個跨接輸出端。Pi 濾波器在電源中的主要應用是通過充當低通濾波器來平滑整流器的輸出。
高通濾波器等效電路是通過在輸入和輸出之間串聯一個電容器和兩個電感器形成的，一個電感跨接輸入，另一個跨接輸出。
本文將只關注低通濾波器的排列。
基本原則
構成 Pi 濾波器的三個組件分別起到阻止交流電流和通過直流電流的作用。輸入電容器執行過濾掉交流分量的第一階段也是最重要的階段。接下來，電感器執行下一個濾波階段，有效地消除任何紋波。最后，輸出電容器過濾通過電感器的任何交流分量。
特征
Pi 濾波器將以最小的電流消耗產生高輸出電壓，僅在輸出端產生非常小的壓降。它相對于不同濾波器類型的另一個主要優勢是良好的紋波降低。然而，當負載施加到輸出時，任何流過濾波器的電流都會導致電壓下降，因此 Pi 濾波器無法提供電壓調節。該電流還將流經電感器，這意味著在具有高輸出電壓的應用中需要具有高額定功率的電感器。這種限制還必須與高輸入電容要求和高額定電壓相權衡。此外，此類組件體積龐大且價格昂貴，會影響電路板設計。
電壓調節
Pi 濾波器需要穩定的輸出電壓才能有效。不斷變化的輸出負載或高電流漂移將導致電壓調節不佳。它們的交流供電電源應用通常緊接在橋式整流器電路之后和開關模式控制電路之前。它們的作用是最小化電源電路轉換器級輸入端整流電源線上的紋波。
電源隔離
用變壓器代替低通 Pi 濾波器中的電感器將提供相同的紋波過濾功能，但具有在整流器輸出和開關模式電源轉換器之間提供隔離的好處。另一個好處是變壓器還將提供兩路共模噪聲過濾。在一個方向上，它減少了出現在整流器輸出端的交流輸入端的噪聲。另一方面，它可以防止開關模式電源轉換器電路產生的高頻噪聲通過電源傳導回電源線。在此配置中，Pi 濾波器也稱為電源線濾波器。
阻抗匹配
Pi 濾波器相對于簡單 LC 濾波器的一個好處是它們為電路設計人員提供了更大的阻抗匹配靈活性。一個簡單的 LC 濾波器將只有單個組件值，其中濾波器為給定頻率產生所需的阻抗。相比之下，Pi 濾波器將具有多個組件值組合，所有這些組合都會產生給定頻率所需的阻抗。不同的選項將各自具有不同的 Q 因子，允許設計人員選擇最適合他們正在設計的電路的諧振行為，并權衡效率。
設計約束
對于標準 Pi 濾波器，組件的典型尺寸和重量需要分配大量的電路板面積。它們還需要仔細安裝，以防止任何外部振動轉化為組件的物理位移，從而導致其引線和連接到 PCB 的焊點開裂。
Pi 濾波器通常用于高功率應用。因此，濾波器組件之間的走線需要盡可能短，并在連接和走線中使用盡可能低的電流密度。在涉及高電流的情況下，電感器/變壓器將需要熱管理以防止過度加熱效應。
在需要隔離的情況下，電源線濾波器可作為獨立的現成單元并入設計中或作為電源連接電路中的外部元件處理。此選項將帶來更高的單位成本，從而簡化電路板設計并可能降低總體制造成本。
概括
Pi 濾波器有助于減少電源電路中的電源紋波，只要任何物理尺寸和重量限制以及熱管理問題不妨礙它們的使用。它們的電壓調節限制使其不適合用作輸出濾波器，但它們非常適合作為電源電路中的中間濾波器級。基于變壓器的 Pi 濾波器還為安全相關應用的設計提供電源隔離，這是一個額外的好處。