濾波器通常用于電源和音頻電子設備，以抑制不需要的頻率。根據(jù)應用，在電子電路設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，我們學習了另一種稱為 Pi 濾波器的新型濾波器，它在電源電路設計中非常常用。我們已經(jīng)在我們之前的一些電源設計中使用了 Pi-Filter，例如這個5V 2A SMPS電路和12V 1A SMPS電路。因此，讓我們詳細了解這些過濾器是什么以及如何設計它們。

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 Pi 濾波器設計用于低通時，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 濾波器計算的構造和組件值可以從以下等式推導出來為您的應用設計 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)構也看起來像一個符號 Pi。Pi 濾波器的結(jié)構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)功率相關應用。

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 應用中易于設計 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，這在空間受限的應用中成為一項挑戰(zhàn)。此外，高價值電容器增加了設計成本。

不良電壓調(diào)節(jié)

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

Pi 濾波器的應用

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)設計了一個Pi 濾波器電源電路，用于我們的12V 1A SMPS設計如下所示。

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)動器電路以供進一步操作。

這種結(jié)構，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)動器的高開關頻率隔離。驅(qū)動電路。

正確構造的線路濾波器可以提供共模過濾（一種像獨立單導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。如果在電力電子應用中使用pi 濾波器，也稱為 電力線濾波器。

射頻應用

在射頻應用中，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 走線進行設計。

上圖顯示了基于 PCB 走線的濾波器，其中走線會在高頻應用中產(chǎn)生電感和電容。除傳輸線外，Pi 濾波器還用于 RF 通信設備，在這些設備中進行調(diào)制和解調(diào)。Pi 濾波器設計用于目標頻率，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高頻旁路到放大或傳輸級。

Pi 濾波器設計技巧

要設計合適的 Pi 濾波器，需要補償適當?shù)?PCB 設計策略以實現(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?shù)慕拥貙又苯舆B接到驅(qū)動電路。

如果設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

元件選擇是射頻應用的主要標準。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。應考慮PCB痕量電感，應適當?shù)淖o理對電感器選擇。設計應該使用適當?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用中的輸入和輸出。