滤波器通常用于电源和音频电子设备以抑制不需要的频率。根据应用，电子电路设计中使用了许多不同类型的滤波器，但所有这些滤波器的基本概念都是相同的，即去除不需要的信号。所有这些滤波器都可以分为两种类型——有源滤波器和无源滤波器。有源滤波器使用一个或多个有源元件和其他无源元件，而无源滤波器仅使用无源元件制成。
在本教程中，我们将学习另一种新型滤波器，称为 Pi 滤波器，它在电源电路设计中非常常用。我们已经在我们之前的一些电源设计中使用了 Pi 滤波器，例如这个5V 2A SMPS电路和12V 1A SMPS电路。因此，让我们详细了解这些过滤器是什么以及如何设计它们。
Pi滤波器
Pi Filter是一种无源滤波器，除了传统的二元无源滤波器外，主要由三个组件组成。所有组件的构造排列形成了希腊字母 Pi (π) 的形状，因此得名Pi section Filter。
大多数情况下，Pi 滤波器用于低通滤波器应用，但其他配置也是可能的。Pi 滤波器的主要组件是电容器和电感器，使其成为LC 滤波器。在低通滤波器应用中，Pi 滤波器也称为电容器输入滤波器，因为电容器在低通配置中跨接在输入侧。
Pi 滤波器作为低通滤波器
Pi 滤波器是一种出色的低通滤波器，与传统的 LC Pi 滤波器有很大不同。当 Pi 滤波器设计用于低通时，输出保持稳定且 k 系数恒定。
使用 Pi 配置的低通滤波器设计非常简单。Pi滤波器电路由两个并联的电容器和一个串联的电感组成，形成一个 Pi 形状，如下图所示
如上图所示，它由两个电容器组成，这两个电容器通过中间的串联电感器接地。由于这是一个低通滤波器，它在高频时产生高阻抗，在低频时产生低阻抗。因此，它通常用于传输线以阻挡不需要的高频。
Pi 滤波器计算的构造和元件值可以从以下等式导出，以设计适合您应用的 Pi 滤波器。
截止频率(fc) = 1/ᴫ(LC) 1/2
电容值(C) = 1/Z 0ᴫfc
电感值(L1) = Z 0 /ᴫfc
其中，Z 0为阻抗特性以欧姆为单位，fc 是截止频率。
Pi 滤波器作为高通滤波器
与低通滤波器一样，pi 滤波器也可以配置为高通滤波器。在这种情况下，滤波器会阻止低频并允许高频通过。它还使用两种类型的无源元件、两个电感器和一个电容器制成。
在低通配置中，滤波器设计为两个电容器并联在其间的电感器，但在高通配置中，无源元件的位置和数量正好相反。这里使用两个单独的电感器而不是单个电感器和单个电容器。
上图中的Pi 滤波器电路图像显示了高通配置的滤波器，更不用说结构也看起来像符号 Pi。Pi 滤波器的结构和元件值可以从以下等式推导出来 –
截止频率 (fc) = 1/4ᴫ(LC) 1/2
电容值 (C) = 1/4Z 0ᴫfc
阻抗值 (L1) = Z 0 /4ᴫfc
其中，Z 0是以欧姆为单位的阻抗特性，fc 是截止频率。
Pi 过滤器的优点
高输出电压
pi 滤波器的输出电压非常高，使其适用于需要高压直流滤波器的大多数与电源相关的应用。
低纹波系数
配置为低通滤波器 在直流过滤用途中，Pi 滤波器是一种高效滤波器，可滤除来自桥式整流器的不需要的交流纹波。由于电容和电抗的作用，电容器在交流中提供低阻抗，但在直流中提供高电阻。由于 AC 的这种低阻抗，Pi 滤波器的第一个电容器旁路了来自桥式整流器的 AC 纹波。旁路交流纹波进入电感器。电感器抵抗电流的变化并阻止由第二个电容器进一步过滤的交流纹波。这些多级滤波有助于在 Pi 滤波器上产生非常低的纹波平滑直流输出。
易于在 RF 应用中设计
在需要更高频率传输的受控 RF 环境中，例如在 GHz 频带中，高频 Pi 滤波器仅使用 PCB 迹线即可在 PCB 中轻松灵活地制作。高频 Pi 滤波器还提供比硅基滤波器更多的浪涌抗扰度。例如，硅芯片具有耐压能力的限制，而使用无源元件制成的 pi 滤波器在浪涌和恶劣的工业环境方面具有更强的免疫力。
Pi 滤波器的缺点
更高功率的电感器值
除了 RF 设计之外，不建议通过 Pi 滤波器消耗大电流，因为电流必须流过电感器。如果此负载电流相对较高，则电感器的瓦数也会增加，从而使其体积庞大且价格昂贵。此外，通过电感器的大电流会增加电感器的功耗，从而导致效率低下。
高值输入电容
Pi 滤波器的另一个主要问题是输入电容值大。Pi 滤波器在输入端需要高电容，这在空间受限的应用中成为一个挑战。此外，高值电容器会增加设计成本。
Bad Voltage Regulation
Pi 滤波器不适用于负载电流不稳定且不断变化的情况。当负载电流漂移很大时，Pi 滤波器会提供较差的电压调节。在此类应用中，建议使用带 L 截面的滤波器。
Pi滤波器的应用
电源转换器
如前所述，Pi 滤波器是一种出色的直流滤波器，可以抑制交流纹波。由于这种行为，Pi 滤波器广泛用于电力电子设计，如 AC-DC 转换器、变频器等。然而，在电力电子中，Pi 滤波器用作低通滤波器，我们已经设计了一个 Pi 滤波器电源电路，用于我们的12V 1A SMPS设计如下所示。
通常，Pi 滤波器直接与桥式整流器相连，Pi 滤波器的输出称为高压直流。输出直流高压用于电源驱动器电路以进行进一步操作。
这种从桥式整流二极管到驱动器的结构与Pi-Filter 的工作方式不同。首先，这个 Pi 滤波器为整个驱动器电路的无纹波操作提供平滑的直流电，从而导致电源最终输出的输出纹波较低，另一个用于将主线与整个高开关频率隔离驱动电路。
一个正确构造的线路滤波器可以提供共模过滤（一种像独立的单导体一样拒绝噪声信号的滤波器）和差模过滤（区分两个开关频率噪声，尤其是可以添加到电源线中的高频噪声）在 Pi 滤波器是重要组件的电源中。如果用于电力电子应用，则 pi 滤波器也称为 电力线滤波器。
射频应用
在 RF 应用中，Pi 滤波器用于不同的操作和不同的配置。例如，在 RF 应用中，匹配阻抗是一个重要因素，Pi 滤波器用于匹配 RF 天线和 RF 放大器之前的阻抗。然而，在使用非常高频率（例如 GHz 频段）的大多数情况下，Pi 滤波器用于信号传输线，并且仅使用 PCB 迹线进行设计。
上图显示了基于 PCB 迹线的滤波器，其中迹线在超高频应用中产生电感和电容。除了传输线之外，Pi 滤波器还用于进行调制和解调的 RF 通信设备。Pi滤波器是针对目标频率设计的，用于在接收端接收后解调信号。高通 Pi 滤波器也用于将目标高频旁路到放大或传输阶段。
Pi 滤波器设计技巧
要设计合适的 Pi 滤波器，需要补偿适当的 PCB 设计策略以实现无故障运行，这些技巧如下所列。
在电力电子
- Pi 滤波器布局中需要粗走线。
- 将 Pi 滤波器与电源单元隔离是必不可少的。
- 输入电容、电感和输出电容之间的距离需要闭合。
- 输出电容的地平面需要通过适当的地平面直接连接到驱动电路。
- 如果设计包含需要跨高压直流连接的噪声线（例如驱动器的高压感应线），则需要在 Pi 滤波器的最终输出电容器之前连接走线。这提高了驱动器电路的抗噪性和不需要的噪声注入。
在射频电路中
- 元件选择是射频应用的主要标准。组件的公差起着重要作用。
- PCB 迹线的小幅增加可能会在电路中引起电感。通过考虑 PCB 走线电感，选择电感器时应格外小心。应使用适当的策略进行设计以减少杂散电感。
- 杂散电容需要最小化。
- 需要封闭放置。
- 同轴电缆适用于射频应用中的输入和输出。
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