文章目录

π滤波器

π滤波器作为低通滤波器

π滤波器作为高通滤波器

π滤波器的优点

π滤波器的缺点

π滤波器的应用

π-滤波器设计技巧

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前言

滤波器常用于电力和音频电子领域，以排除不需要的频率。根据应用，电子电路设计中使用的滤波器类型多种多样，但其基本原理是相同的，即去除不需要的信号。所有这些滤波器都可以分为两类——主动滤波器和被动滤波器。主动滤波器使用一个或多个有源元件与其他无源元件组成，而被动滤波器则完全由无源元件制造。

π滤波器

π滤波器(Pi滤波器)是一种主要由三个组件组成的被动滤波器，除了传统的两元件被动滤波器外。所有组件的构造排列形成了希腊字母 π 的形状，因此得名π截面滤波器。

大多数情况下，Pi滤波器用于低通滤波器应用，但也有其他配置。π滤波器的主要部分是电容和电感，使其成为LC滤波器。在低通滤波器应用中，π滤波器也称为电容输入滤波器，因为在低通配置下电容一直横跨输入端。

π滤波器作为低通滤波器

π滤波器是一种优秀的低通滤波器，与传统的LC滤波器有很大不同。当π滤波器设计为低通时，输出保持稳定且k系数恒定。

用π配置设计低通滤波器其实很简单。π滤波器电路由两个并联连接的电容器组成，后面是一个串联的电感，形成如下图所示的π形

如上图所示，它由两个电容组成，通过串联电感连接到地。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，它常用于传输线路中阻挡不需要的高频信号。

π滤波器的构造和分量值可由下式推导，以设计适合您的应用的π滤波器。

截止频率(fc) = 1/[π*(LC)^1/2]
电容值 (C) = 1/(Z*π*fc)
电感值(L1) = Z/(π*fc)
注：Z 是特征阻抗，fc 是截止频率

π滤波器作为高通滤波器

与低通滤波器相同，π滤波器也可以配置为高通滤波器。在这种情况下，滤波器阻挡低频，允许高频通过。它还使用两种无源元件、两个电感器和一个电容器。

在低通配置中，滤波器设计为两个电容并联，中间有一个电感，但在高通配置中，无源元件的位置和数量完全相反。这里不是单一电感，而是使用两个独立的电感与一个电容器配合。

上面的π滤波器电路图显示的是高通配置，更不用说它的结构看起来也像一个符号π。π滤波器的构造和分量值可由下式推导——

截止频率(fc) = 1/[4*π*(LC)^1/2]
电容值 (C) = 1/(4*Z*π*fc)
电感值(L1) = Z/(4*π*fc)
注：Z 是特征阻抗，fc 是截止频率

π滤波器的优点

高输出电压
π滤波器的输出电压相当高，适合需要高压直流滤波器的功率相关应用。

低纹波因子
作为低通滤波器配置 在直流滤波中，π滤波器是一种高效的滤波器，用于滤除来自桥式整流器的不想要的交流纹波。该电容器在交流电中阻抗较低，但在直流电阻下因电容和电抗的影响而具有较高电阻。由于交流电阻抗较低，π滤波器的第一个电容绕过来自桥式整流器的交流纹波。旁路的交流波纹进入电感器。电感器抵抗电流变化，阻断交流波纹，第二电容进一步过滤。这些多级滤波有助于在π滤波器上产生非常低的平滑直流输出。

在射频应用
中设计简便 在受控射频环境中，需要更高频率传输，例如GHz频段，高频π滤波器便于在PCB上仅用PCB走线制造。高频π滤波器还比硅基滤波器更能提供浪涌抗扰。例如，硅芯片的耐压能力有限，而使用无源元件制造的π滤波器在浪涌和恶劣工业环境中的抗电助力要高得多。

π滤波器的缺点

更高的电感值
除了射频设计外，不建议通过π滤波器进行高电流消耗，因为电流必须通过电感器。如果负载电流相对较高，电感器的功率也会增加，使其体积庞大且成本较高。此外，电感器中的高电流会增加电感两端的功率耗散，导致效率低下。

高值输入电容 

π滤波器的另一个主要问题是输入电容值过大。π滤波器需要输入端的高电容，这在空间受限的应用中成为挑战。此外，高价值电容器会增加设计成本。

电压调节
π滤波器不适合负载电流不稳定且不断变化的情况。当负载电流大幅漂移时，π滤波器会提供较差的电压调节。在此类应用中，建议使用带有L截面的滤波器。

π滤波器的应用

电力转换器

如前所述，Pi滤波器是抑制交流波纹的优秀直流滤波器。由于这种特性，π滤波器广泛应用于电力电子设计，如交流-直流变换器、频率变换器等。然而，在电力电子领域，π滤波器被用作低通滤波器，我们已经设计了一个π滤波器电源电路，用于我们的12V 1A SMPS设计，如下所示。

通常，π滤波器直接连接到桥式整流器，π滤波器的输出称为高压直流电。输出的直流高压电用于电源驱动电路。

这种结构从桥式整流二极管到驱动单元，与π滤波器的工作原理不同。首先，该Pi滤波器为整个驱动电路的无波纹运行提供平滑直流电，从而使电源最终输出的低波纹;另一个滤波器则用于隔离主线路与驱动电路中高频开关频率的信号。

一个结构良好的线路滤波器可以在功率供应器中提供共模滤波（一种将噪声信号排除为独立单导体的滤波器）和差分模滤波（区分两种开关频率噪声，尤其是可添加到市电线路的高频噪声）。如果在电力电子应用中使用，π滤波器也称为电源线滤波器。

射频应用

在射频应用中，π滤波器用于不同的作和配置。例如，在射频应用中，匹配阻抗是一个非常重要的因素，π滤波器用于匹配射频天线之间的阻抗，以及射频放大器之前。然而，在使用极高频段（如 GHz 频段）的最大情况下，信号传输线中使用 π 滤波器，并仅使用印刷电路板（PCB）走线设计。

上图展示了基于PCB的线路滤波器，其中线路在非常高频应用中产生电感和电容。除了传输线外，π滤波器还用于射频通信设备中，用于调制和解调。π滤波器设计用于特定频率，在接收端接收信号后进行解调。高通π滤波器也用于旁路目标高频信号进入放大或传输级。

π-滤波器设计技巧

要设计合适的π滤波器，必须补偿正确的PCB设计策略以实现无故障运行，以下列出这些建议。

在电力电子领域

• 在π滤波器布局中，需要较厚的走路。
• 将π滤波器与电源单元隔离至关重要。
• 需要闭合输入电容、电感和输出电容之间的距离。
• 输出电容的地平面需要通过合适的接地平面直接连接到驱动电路。
• 如果设计包含噪声线路（例如驱动器的高压感应线）需要跨高压直流电线连接，则需要在Pi滤波器的最终输出电容之前连接走线。这提升了抗噪能力，并能在驱动电路中消除不必要的噪声。

在射频电路中

• 元件选择是射频应用的一个重要标准。组件的公差起着重要作用。
• PCB走线的轻微增加可能会在电路中感应电感。在选择电感时应谨慎考虑PCB的线路电感。设计应采用适当策略以减少杂散电感。
• 需要最小化散射电容。
• 必须实习为封闭式实习。

• 同轴电缆适用于射频应用中的输入和输出。

译自 Sourav Gupta 开源文章，《Pi Filter – Overview, Working, Construction, Application and Design Tips》（2019年12月4日，开源文章，来自 CircuitDigest平台）。原文链接：https://circuitdigest.com/tutorial/pi-filter-working-application-circuit-design-tips
本译文仅供学习交流，版权归原作者Sourav Gupta所有。