电源设计中的Pi型滤波器应用

Pi型滤波器是一种无源滤波器，其因三个组成元器件以希腊字母Pi（π）的形状排布而得名。Pi型滤波器可以设计为低通或高通滤波器，具体取决于所使用的元器件。

用于电源滤波的低通滤波器由在输入和输出之间串联的电感和跨接的两个电容组成，一个电容跨接输入端，另一个跨接输出端。Pi型滤波器在电源中的主要应用是通过充当低通滤波器来平滑处理整流器的输出。

高通滤波器等效电路由在输入和输出之间串联的一个电容和跨接的两个电感组成，一个电感跨接输入端，另一个跨接输出端。

本文将只研究低通滤波器。

基本原理

构成Pi型滤波器的三个元器件分别起到阻止交流电流和通过直流电流的作用。输入端电容负责执行过滤交流分量的首要阶段。接着，电感执行下一个滤波阶段，有效地消除所有纹波。最后，输出端电容过滤掉通过电感的所有交流分量。

特点

Pi型滤波器将以最小的电流损耗产生高输出电压，同时只在输出端产生非常小的压降。与不同滤波器类型相比，它的另一个主要优势是能够有效减少纹波。但是，当在输出端施加负载时，任何通过滤波器的电流都会导致电压下降，因此Pi型滤波器无法提供电压调节功能。另外，电流还将流经电感，这意味着在高输出电压应用中，需要使用具有高额定功率的电感。这一限制还必须与高输入电容要求和高额定电压相权衡。此外，此类元器件具有体积庞大、造价高昂的特征，而这会对电路板设计产生影响。

电压调节

Pi型滤波器需要稳定的输出电压才能有效工作。不断变化的输出负载或高输出电流漂移将导致电压调节效果不佳。其交流式电源应用通常紧接在桥式整流器电路之后和开关型控制电路之前。它们的作用是更大限度减少电源电路转换器级输入端整流电源线上的纹波。

电源隔离

用变压器代替低通Pi型滤波器中的电感，也能够达到相同的纹波过滤效果，且这样做有一个好处是，它能够在整流器输出和开关型电源转换器之间实现隔离。此举的另外一个好处是，变压器还将提供双向共模噪声过滤。在一个方向上，它减少了出现在整流器输出端的交流输入端的噪声。在另一个方向，它可以防止开关模式电源转换器电路产生的高频噪声通过电源传导回电源线上。在此配置中，Pi型滤波器也被称为电源线滤波器。

阻抗匹配

相比简单的L-C型滤波器，Pi型滤波器的一个优势是它为电路设计人员提供了更大的阻抗匹配灵活性。简单的L-C型滤波器只有单一元件值，滤波器只针对给定频率产生所需的阻抗 。相比之下，Pi型滤波器拥有多个元件值的组合，这些组合会产生给定频率所需的阻抗。不同选项的Q因子各不相同，这使设计人员能够在权衡效率后，选择最适合设计电路的谐振行为。

设计约束

对于标准的Pi型滤波器，考虑到元器件的典型尺寸和重量，需要在电路板上为其分配相当大的一块位置。此类滤波器还要求仔细组装，以防止任何外部振动转化为元器件的物理位移，进而在连接到PCB时，造成引线和焊点开裂。

Pi型滤波器通常用于高功率应用。因此，滤波器元器件之间的走线需要尽可能短，并使连接和走线中的电流密度保持在尽可能低的水平上。在涉及高电流的情况下，需要对电感/变压器进行热管理，以防止产生过热影响。

在需要隔离的情况下，电源线滤波器可作为独立的现成单元并入设计中，或者作为电源连接电路中的外部元件处理。这一选项虽然单位成本更高，但它能够简化电路板设计并可能降低总体制造成本。

概括

Pi型滤波器有助于减少电源电路中的电源纹波，但前提是物理尺寸和重量约束以及热管理问题不会妨碍它们的使用。由于电压调节限制，Pi型滤波器不适合用作输出滤波器，但它们非常适合作为电源电路中的中间级滤波器。使用基于变压器的Pi型滤波器还有一个额外的好处，那就是它能够为安全相关应用的设计提供电源隔离。

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