Pi濾波器的優(yōu)缺點及設(shè)計技巧

濾波器通常用于電源和音頻電子設(shè)備，以抑制不需要的頻率。根據(jù)應(yīng)用，在電子電路設(shè)計中使用了許多不同類型的濾波器，但它們的基本概念是相同的，即去除不需要的信號。所有這些濾波器可分為兩種類型- 有源濾波器和無源濾波器。有源濾波器使用一個或多個有源元件和其他無源元件，而無源濾波器僅使用無源元件制成。

在本教程中，我們學(xué)習(xí)了另一種稱為 Pi 濾波器的新型濾波器，它在電源電路設(shè)計中非常常用。我們已經(jīng)在我們之前的一些電源設(shè)計中使用了 Pi-Filter，例如這個5V 2A SMPS電路和12V 1A SMPS電路。因此，讓我們詳細(xì)了解這些過濾器是什么以及如何設(shè)計它們。

Pi 濾波器

Pi 濾波器是一種無源濾波器，除傳統(tǒng)的二元無源濾波器外，主要由三個組件組成。所有組件的構(gòu)造排列創(chuàng)建了希臘字母 Pi （π） 的形狀，因此命名為Pi 部分 Filter。

大多數(shù)情況下，Pi 濾波器用于低通濾波器應(yīng)用，但也可以使用其他配置。Pi 濾波器的主要組件是電容器和電感器，使其成為LC 濾波器。在低通濾波器應(yīng)用中，Pi 濾波器也稱為電容器輸入濾波器，因為電容器在低通配置中保持在輸入側(cè)。

Pi 濾波器作為低通濾波器

Pi 濾波器是一種出色的低通濾波器，與傳統(tǒng)的LC Pi 濾波器有很大不同。當(dāng) Pi 濾波器設(shè)計用于低通時，輸出在恒定 k 因子下保持穩(wěn)定。

使用 Pi 配置的低通濾波器設(shè)計非常簡單。Pi 濾波器電路由兩個并聯(lián)的電容器和一個串聯(lián)的電感器組成，形成 Pi 形狀，如下圖所示

如上圖所示，它由兩個電容器組成，它們通過中間的串聯(lián)電感器接地。由于這是一個低通濾波器，它在高頻產(chǎn)生高阻抗，在低頻產(chǎn)生低阻抗。因此，它通常用于傳輸線路中以阻止不需要的高頻。

Pi 濾波器計算的構(gòu)造和組件值可以從以下等式推導(dǎo)出來為您的應(yīng)用設(shè)計 Pi 濾波器。

截止頻率（fc） = 1/?（LC） 1/2

電容值是 （C） = 1/Z 0?fc

電感值 （L1） = Z 0 /?fc

其中，Z 0是阻抗特性以歐姆為單位，fc 是截止頻率。

Pi 濾波器作為高通濾波器

與低通濾波器一樣，pi 濾波器也可以配置為高通濾波器。在這種情況下，濾波器阻止低頻并允許高頻通過。它還使用兩種類型的無源元件、兩個電感器和一個電容器制成。

在低通配置中，濾波器設(shè)計為兩個電容并聯(lián)，中間有一個電感，但在高通配置中，無源元件的位置和數(shù)量正好相反。這里不是使用單個電感器，而是使用兩個單獨的電感器和單個電容器。

上面的Pi 濾波器電路圖像顯示的是高通配置中的濾波器，更不用說結(jié)構(gòu)也看起來像一個符號 Pi。Pi 濾波器的結(jié)構(gòu)和分量值可以從以下等式得出 -

截止頻率 （fc） = 1/4?（LC） 1/2

電容值 （C） = 1/4Z 0?fc

阻抗值 （L1） = Z 0 /4?fc

其中，Z 0是以歐姆為單位的阻抗特性，fc 是截止頻率。

Pi 濾波器的優(yōu)點

高輸出電壓

pi 濾波器的輸出電壓非常高，使其適用于需要高壓直流濾波器的大多數(shù)功率相關(guān)應(yīng)用。

低紋波系數(shù)

配置為低通濾波器 在直流濾波目的中，Pi 濾波器是一種高效濾波器，可濾除來自橋式整流器的不需要的交流紋波。由于電容和電抗的影響，電容器在交流中提供低阻抗，但在直流中提供高電阻。由于 AC 兩端的低阻抗，Pi 濾波器的第一個電容器繞過了來自橋式整流器的 AC 紋波。旁路的交流紋波進(jìn)入電感器。電感器抵抗電流的變化并阻止由第二個電容器進(jìn)一步過濾的交流紋波。這些多級濾波有助于在 Pi 濾波器上產(chǎn)生非常低的紋波平滑直流輸出。

在 RF 應(yīng)用中易于設(shè)計 在

受控的 RF 環(huán)境中，需要更高頻率的傳輸，例如在 GHz 頻帶中，高頻 Pi 濾波器很容易和靈活地在 PCB 中使用 PCB 走線制造。高頻 Pi 濾波器還提供比硅基濾波器更多的浪涌抗擾度。例如，硅芯片的耐壓能力有限，而使用無源元件制成的 pi 濾波器在浪涌和惡劣的工業(yè)環(huán)境方面具有更高的抗擾度。

Pi過濾器的缺點

更高功率

的電感值 除射頻設(shè)計外，不建議通過 Pi 濾波器消耗大電流，因為電流必須流過電感。如果此負(fù)載電流相對較高，則電感器的功率也會增加，從而使其體積龐大且價格昂貴。此外，通過電感器的大電流會增加電感器的功耗，從而導(dǎo)致效率低下。

高值輸入電容

Pi 濾波器的另一個主要問題是輸入電容值大。Pi 濾波器需要輸入端的高電容，這在空間受限的應(yīng)用中成為一項挑戰(zhàn)。此外，高價值電容器增加了設(shè)計成本。

不良電壓調(diào)節(jié)

Pi 濾波器不適用于負(fù)載電流不穩(wěn)定且不斷變化的情況。當(dāng)負(fù)載電流漂移很大時，Pi 濾波器會提供不良的電壓調(diào)節(jié)。在這樣的應(yīng)用中，推薦使用帶有 L 部分的濾波器。

Pi 濾波器的應(yīng)用

電源轉(zhuǎn)換器

如前所述，Pi 濾波器是一種出色的直流濾波器，可抑制交流紋波。由于這種行為，Pi 濾波器廣泛用于電力電子設(shè)計，如 AC-DC 轉(zhuǎn)換器、變頻器等。然而，在電力電子中，Pi 濾波器用作低通濾波器，我們已經(jīng)設(shè)計了一個Pi 濾波器電源電路，用于我們的12V 1A SMPS設(shè)計如下所示。

通常，Pi 濾波器直接與橋式整流器相連，Pi 濾波器的輸出稱為高壓直流。輸出直流高壓用于電源驅(qū)動器電路以供進(jìn)一步操作。

這種結(jié)構(gòu)，從橋式整流二極管到驅(qū)動器與Pi-Filter 的工作方式不同。首先，該 Pi 濾波器為整個驅(qū)動器電路的無紋波操作提供平滑直流，從而導(dǎo)致電源最終輸出的輸出紋波低，另一個用于將主線路與整個驅(qū)動器的高開關(guān)頻率隔離。驅(qū)動電路。

正確構(gòu)造的線路濾波器可以提供共模過濾（一種像獨立單導(dǎo)體一樣抑制噪聲信號的濾波器）和差模過濾（區(qū)分兩個開關(guān)頻率噪聲，尤其是可以添加到電源線中的高頻噪聲）在 Pi 濾波器是重要組件的電源中。如果在電力電子應(yīng)用中使用pi 濾波器，也稱為 電力線濾波器。

射頻應(yīng)用

在射頻應(yīng)用中，Pi 濾波器用于不同的操作和不同的配置。例如，在射頻應(yīng)用中，匹配阻抗是一個重要因素，Pi 濾波器用于匹配射頻天線和射頻放大器之前的阻抗。然而，在使用非常高頻率的大多數(shù)情況下，例如在 GHz 頻帶中，Pi 濾波器用于信號傳輸線，并且僅使用 PCB 走線進(jìn)行設(shè)計。

上圖顯示了基于 PCB 走線的濾波器，其中走線會在高頻應(yīng)用中產(chǎn)生電感和電容。除傳輸線外，Pi 濾波器還用于 RF 通信設(shè)備，在這些設(shè)備中進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。Pi 濾波器設(shè)計用于目標(biāo)頻率，以便在接收端接收后解調(diào)信號。高通 Pi 濾波器還用于將目標(biāo)高頻旁路到放大或傳輸級。

Pi 濾波器設(shè)計技巧

要設(shè)計合適的 Pi 濾波器，需要補償適當(dāng)?shù)?PCB 設(shè)計策略以實現(xiàn)無故障運行，下面列出了這些技巧。

在電力電子

Pi 濾波器布局中需要粗跡線。

將 Pi 濾波器與電源單元隔離是必不可少的。

需要關(guān)閉輸入電容、電感和輸出電容之間的距離。

輸出電容的接地層需要通過適當(dāng)?shù)慕拥貙又苯舆B接到驅(qū)動電路。

如果設(shè)計包含需要跨高壓直流連接的噪聲線（例如驅(qū)動器的高壓感應(yīng)線），則需要在 Pi 濾波器的最終輸出電容器之前連接走線。這提高了驅(qū)動器電路的抗噪性和不需要的噪聲注入。

在射頻電路中

元件選擇是射頻應(yīng)用的主要標(biāo)準(zhǔn)。組件的公差起著重要作用。

PCB 走線的小幅增加可能會在電路中產(chǎn)生電感。應(yīng)考慮PCB痕量電感，應(yīng)適當(dāng)?shù)淖o(hù)理對電感器選擇。設(shè)計應(yīng)該使用適當(dāng)?shù)牟呗詠頊p少雜散電感。

需要最小化雜散電容。

封閉式放置是必需的。

同軸電纜適用于射頻應(yīng)用中的輸入和輸出。