Pi-Filter-Designs für Netzteile

Pi-Filter sind eine Art passive Filter. Der Name kommt von der Anordnung der drei Bestandteile in Form des griechischen Zeichens Pi (π). Pi-Filter können je nach den verwendeten Bauteilen entweder als Tiefpass- oder Hochpassfilter designiert werden.

Der für die Netzteil-Filterung verwendete Tiefpassfilter wird von einem Induktor in Reihe zwischen Eingang und Ausgang mit zwei Kondensatoren gebildet, einer über dem Eingang und der andere über dem Ausgang. Der Pi-Filter wird hauptsächlich in Netzteilen zur Glättung der Ausgabe eines Gleichrichters verwendet, indem er als Tiefpassfilter fungiert.

Der äquivalente Hochpassfilter wird unter Verwendung eines Kondensators in Reihe zwischen Eingang und Ausgang mit zwei Induktoren gebildet, der eine über dem Eingang und der andere über dem Ausgang.

Dieser Artikel befasst sich nur mit der Anordnung des Tiefpassfilters.

Grundprinzipien

Die drei Komponenten, die den Pi-Filter bilden, blockieren den Wechselstromfluss und lassen den Gleichstromfluss durch. Der Eingangskondensator führt die allererste Phase der Filterung aus der AC-Komponente durch. Der Induktor führt die nächste Filterphase durch und entfernt jegliche Welligkeit. Schließlich filtert der Ausgangskondensator alle AC-Komponenten, die den Induktor durchlaufen haben.

Merkmale

Der Pi-Filter erzeugt eine hohe Ausgangsspannung mit minimalem Stromverbrauch und produziert nur einen sehr geringen Spannungsabfall am Ausgang. Sein anderer Hauptvorteil gegenüber verschiedenen Filtertypen ist seine gute Reduktion der Welligkeit. Allerdings führt jeder Stromfluss durch den Filter zu einem Spannungsabfall, wenn eine Last am Ausgang angewendet wird. Deshalb kann der Pi-Filter keine Spannungsregelung bieten. Dieser Strom fließt auch durch den Induktor, was bedeutet, dass für Anwendungen mit hoher Ausgangsspannung ein Induktor mit hoher Leistung erforderlich ist. Diese Einschränkung muss auch mit den hohen Anforderungen an die Eingangskapazität und der hohen Nennspannung abgewogen werden. Außerdem sind solche Komponenten sperrig und teuer, was sich auf das Leiterplattendesign auswirkt.

Spannungsregelung

Pi-Filter erfordern eine stabile Ausgangsspannung, um wirksam zu sein. Eine ständig wechselnde Ausgangslast oder eine hohe Stromabweichung führen zu einer schlechten Spannungsregelung. Ihr Einsatz in AC-gespeisten Netzteilen erfolgt typischerweise unmittelbar nach der Gleichrichter-Brückenschaltung und vor dem Schaltmodus-Regelkreis. Sie dienen der Minimierung der Welligkeit auf der gleichgerichteten Netzleitung am Eingang zur Wandlerphase der Stromversorgungsschaltung.

Isolierung der Versorgung

Wenn der Induktor im Tiefpass-Pi-Filter durch einen Transformator ersetzt wird, bietet dies dieselbe Welligkeitsfilterung, jedoch mit dem Vorteil der Isolierung zwischen dem Gleichrichterausgang und dem Schaltmodus-Leistungswandler. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass der Transformator auch eine Gleichtaktstörungsfilterung in zwei Richtungen bietet. In der einen Richtung reduziert er das am AC-Eingang entstehende Rauschen, das am Ausgang des Gleichrichters erscheint. In der anderen Richtung verhindert er, dass hochfrequentes Rauschen, das durch den Schaltmodus-Stromwandlungskreis generiert wird, durch das Netzteil zurück auf die Netzleitung geleitet wird. In dieser Konfiguration wird der Pi-Filter auch als ein Stromleitungsfilter bezeichnet.

Impedanzanpassung

Ein Vorteil der Pi-Filter gegenüber den einfachen L-C-Filtern ist die größere Flexibilität, die sie dem Schaltungsentwickler für die Impedanzanpassung bieten. Ein einfacher L-C-Filter hat nur einzelne Komponentenwerte, bei denen der Filter die erforderliche Impedanz für eine bestimmte Frequenz erzeugt. In Gegensatz dazu verfügt der Pi-Filter über mehrere Kombinationen von Komponentenwerten, die alle die Impedanz erzeugen, die für die bestimmte Frequenz erforderlich ist. Die verschiedenen Optionen haben jeweils einen anderen Q-Faktor, der es dem Entwickler ermöglicht, ein Resonanzverhalten zu wählen, das am besten zu der von ihm entwickelten Schaltung passt, wobei es zu einem Abgleich mit der Effizienz kommt.

Designvorgaben

Für einen standardmäßigen Pi-Filter ist für die typische Größe und das Gewicht der Bauteile ein signifikanter Leiterplattenbereich erforderlich. Außerdem ist eine sorgfältige Montage notwendig, um zu verhindern, dass externe Vibrationen eine physische Verschiebung der Bauteile verursachen, die zu Rissen in den Leitungen und den Lötstellen, an denen sie mit der Leiterplatte verbunden sind, führen kann.

Pi-Filter werden in der Regel in Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Daher müssen die Leiterbahnen zwischen den Filterkomponenten so kurz wie möglich gehalten werden und mit einer möglichst niedrigen Stromdichte zwischen den Verbindungen und Leiterbahnen gespeist werden. Bei hohen Strömen muss der Induktor/Transformator thermisch verwaltet werden, um übermäßige Erwärmung zu vermeiden.

Wenn Isolierung erforderlich ist, sind Stromleitungsfilter als eigenständige, standardmäßige Einheiten verfügbar, die in das Design integriert oder als externes Element im Netzanschlusskreis behandelt werden. Diese Option ist mit höheren Stückkosten verbunden, vereinfacht jedoch das Leiterplattendesign und reduziert möglicherweise die gesamten Fertigungskosten.

Zusammenfassung

Pi-Filter eignen sich gut für die Reduzierung der Stromversorgungswelligkeit innerhalb eines Stromversorgungskreises, solange physische Größen- und Gewichtsbeschränkungen und Probleme beim Wärmemanagement ihre Verwendung nicht ausschließen. Aufgrund ihrer begrenzten Spannungsregelung sind sie für den Einsatz als Ausgangsfilter nicht geeignet. Sie sind jedoch ideal als Zwischenfilterstufe innerhalb des Stromversorgungskreises. Ein transformatorbasierter Pi-Filter liefert als zusätzlichen Vorteil Stromisolierung für das Design für sicherheitsrelevante Anwendungen.

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