필터는 일반적으로 전력 및 오디오 전자 장치에서 원하지 않는 주파수를 거부하는 데 사용됩니다. 애플리케이션에 따라 전자 회로 설계에 사용되는 필터에는 여러 가지 유형이 있지만 모든 필터의 기본 개념은 동일합니다. 즉, 원치 않는 신호를 제거하는 것입니다. 이 모든 필터는 능동 필터와 수동 필터의 두 가지 유형으로 분류 할 수 있습니다 . 능동 필터는 다른 수동 구성 요소와 함께 하나 이상의 능동 구성 요소를 사용하는 반면 수동 필터는 수동 구성 요소만을 사용하여 만들어집니다. 우리는 이미 이러한 필터에 대해 자세히 논의했습니다.
- 액티브 하이 패스 필터
- 액티브 로우 패스 필터
- 패시브 하이 패스 필터
- 패시브 로우 패스 필터
- 대역 통과 필터
- 고조파 필터
이 자습서에서는 전원 공급 장치 회로 설계에 매우 일반적으로 사용되는 Pi 필터라는 또 다른 새로운 유형의 필터를 배웁니다. 우리는 이미이 5V 2A SMPS 회로 및 12V 1A SMPS 회로와 같은 이전의 몇 가지 전원 공급 장치 설계에서 Pi-Filter를 사용했습니다. 따라서 이러한 필터가 무엇이며 어떻게 디자인하는지 자세히 살펴 보겠습니다.
파이 필터
Pi 필터는 기존의 2 요소 수동 필터 외에 주로 세 가지 구성 요소로 구성된 수동 필터 유형입니다. 모든 구성 요소의 구성 배열은 그리스 문자 Pi (π)의 모양을 생성하므로 이름이 Pi 섹션 Filter 입니다.
대부분의 경우 Pi 필터는 저역 통과 필터 애플리케이션에 사용되지만 다른 구성도 가능합니다. Pi 필터의 주요 구성 요소는 커패시터와 인덕터로 LC 필터가 됩니다. 저역 통과 필터 애플리케이션에서 Pi 필터는 커패시터가 저역 통과 구성에서 입력 측에 머물러 있기 때문에 커패시터 입력 필터라고도합니다.
저역 통과 필터로서의 파이 필터
Pi 필터는 기존 LC Pi 필터 보다 훨씬 다른 우수한 저역 통과 필터입니다 . Pi 필터가 저역 통과 용으로 설계된 경우 출력은 상수 k 계수로 안정적으로 유지됩니다.
Pi 구성을 사용 하는 저역 통과 필터 의 설계 는 매우 간단합니다. 파이 필터 회로는 이미지 아래에 도시 된 바와 같이, 파이 형상을 형성하는 직렬 인덕터 뒤에 병렬로 연결된 2 개 개의 커패시터로 구성
위의 이미지에서 볼 수 있듯이 직렬 인덕터로 접지에 연결된 두 개의 커패시터로 구성됩니다. 저역 통과 필터이므로 고주파에서 높은 임피던스를 생성하고 저주파에서 낮은 임피던스를 생성합니다. 따라서 원하지 않는 고주파를 차단하기 위해 전송 라인 에서 일반적으로 사용됩니다.
Pi 필터 계산 의 구성 및 구성 요소 값은 아래 방정식에서 파생되어 응용 프로그램에 대한 Pi 필터 를 설계 할 수 있습니다.
차단 주파수 (fc) = 1 / ᴫ (LC) 1/2 커패시턴스 값은 (C) = 1 / Z 0ᴫfc 인덕턴스 값 (L1) = Z 0 / ᴫfc 여기서 Z 0 은 임피던스 특성입니다. 옴 및 fc 단위는 차단 주파수입니다.
하이 패스 필터로서의 파이 필터
로우 패스 필터와 마찬가지로 파이 필터도 하이 패스 필터로 구성 할 수 있습니다. 이 경우 필터 는 저주파를 차단하고 고주파 를 통과시킵니다. 또한 두 가지 유형의 수동 부품, 두 개의 인덕터 및 하나의 커패시터를 사용하여 만들어집니다.
저역 통과 구성에서 필터는 두 개의 커패시터가 그 사이에 인덕터와 병렬로 연결되도록 설계되었지만 고역 통과 구성에서는 수동 부품의 위치와 수량이 정확히 반대가됩니다. 단일 인덕터 대신 단일 커패시터에 두 개의 개별 인덕터가 사용됩니다.
위의 파이 필터 회로 이미지는 하이 패스 구성의 필터를 보여주고 있으며 구성은 말할 것도없이 파이 기호처럼 보입니다. Pi 필터의 구성 및 구성 요소 값은 아래 방정식에서 파생 될 수 있습니다.
차단 주파수 (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) 1/2 커패시턴스 값은 (C) = 1 / 4Z 0ᴫfc 임피던스 값 (L1) = Z 0 / 4ᴫfc 여기서 Z 0 은 임피던스 특성입니다. 옴 및 fc 단위는 차단 주파수입니다.
파이 필터의 장점
높은 출력 전압
파이 필터의 출력 전압은 매우 높아 고전압 DC 필터가 필요한 대부분의 전력 관련 애플리케이션에 적합합니다.
낮은 리플 계수
저역 통과 필터로 구성됨 DC 여과 목적에서 Pi 필터는 브리지 정류기에서 발생하는 원치 않는 AC 리플 을 필터링 하는 효율적인 필터 입니다. 커패시터는 AC에서 낮은 임피던스를 제공하지만 커패시턴스 및 리액턴스의 영향으로 인해 DC에서 높은 저항을 제공합니다. AC에서이 낮은 임피던스로 인해 Pi 필터의 첫 번째 커패시터는 브리지 정류기에서 나오는 AC 리플을 우회합니다. 우회 된 AC 리플은 인덕터로 들어갑니다. 인덕터는 전류 흐름의 변화에 저항하고 두 번째 커패시터에 의해 더 필터링 된 AC 리플을 차단합니다. 이러한 여러 단계의 필터링은 Pi 필터에서 매우 낮은 리플의 부드러운 DC 출력을 생성하는 데 도움이됩니다.
RF 애플리케이션에서 설계 용이성
예를 들어 GHz 대역에서 고주파 전송이 필요한 제어 된 RF 환경에서 고주파 Pi 필터 는 PCB 트레이스 만 사용하여 PCB에서 쉽고 유연하게 만들 수 있습니다. 고주파 Pi 필터는 또한 실리콘 기반 필터보다 더 많은 서지 내성을 제공 합니다. 예를 들어, 실리콘 칩은 내전압 용량에 한계가있는 반면 수동 부품을 사용하여 만든 파이 필터는 서지 및 열악한 산업 환경 측면에서 훨씬 더 많은 내성을가집니다.
파이 필터의 단점
더 높은 와트의 인덕터 값
RF 설계 외에 Pi 필터를 통한 높은 전류 소모 는 전류가 인덕터를 통해 흐를 수 있기 때문에 권장되지 않습니다. 이 부하 전류가 상대적으로 높으면 인덕터의 와트 수도 증가하여 부피가 크고 비싸게됩니다. 또한 인덕터를 통과하는 높은 전류는 인덕터 전체의 전력 손실을 증가시켜 효율성을 저하시킵니다.
높은 값의 입력 커패시터
Pi 필터의 또 다른 주요 문제는 큰 입력 커패시턴스 값입니다. Pi 필터는 입력 전반에 걸쳐 높은 정전 용량을 필요로하므로 공간이 제한된 애플리케이션에서 문제가되었습니다. 또한 고가의 커패시터는 설계 비용을 증가시킵니다.
불량 전압 조정
Pi 필터는 부하 전류가 안정적이지 않고 지속적으로 변하는 경우 적합하지 않습니다. Pi 필터는 부하 전류가 많이 드리프트 할 때 잘못된 전압 조정을 제공합니다. 이러한 애플리케이션에서는 L 섹션이있는 필터가 권장됩니다.
파이 필터의 적용
전력 변환기
이미 논의했듯이 Pi 필터는 AC 리플을 억제하는 탁월한 DC 필터입니다. 이러한 동작으로 인해 Pi 필터는 AC-DC 변환기, 주파수 변환기 등과 같은 전력 전자 설계에서 광범위하게 사용됩니다. 그러나 전력 전자에서는 Pi 필터가 저역 통과 필터로 사용되며 이미 Pi 필터 전원 공급 회로를 우리의 12V 1A SMPS 디자인은 아래와 같습니다.
일반적으로 Pi 필터는 브리지 정류기와 직접 연결되며 Pi 필터의 출력을 고전압 DC라고합니다. 출력 DC 고전압은 추가 작동을 위해 전원 공급 장치 드라이버 회로에 사용됩니다.
브리지 정류기 다이오드에서 드라이버 까지이 구조는 Pi-Filter의 작동과 다른 작동을합니다. 첫째,이 Pi 필터는 전체 드라이버 회로 의 리플이없는 작동 을 위해 부드러운 DC를 제공 하여 전원 공급 장치의 최종 출력에서 낮은 출력 리플을 발생시키고 다른 하나는 메인 라인 을 높은 스위칭 주파수에서 드라이버 회로.
적절하게 구성된 라인 필터는 공통 모드 필터링 (독립적 인 단일 도체처럼 노이즈 신호를 거부하는 필터) 및 차동 모드 필터링 (2 개의 스위칭 주파수 노이즈, 특히 주전원 라인에 추가 될 수있는 고주파 노이즈를 차별화)을 제공 할 수 있습니다. Pi 필터가 중요한 구성 요소 인 전원 공급 장치에서. 파이 필터는 전력 전자 애플리케이션에서 사용되는 경우 전력선 필터 라고도합니다.
RF 응용
RF 애플리케이션에서 Pi 필터는 다른 작업과 다른 구성에 사용됩니다. 예를 들어, RF 애플리케이션에서 매칭 임피던스는 큰 요소이며 Pi 필터는 RF 안테나 와 RF 증폭기 이전에 임피던스 를 매칭 하는 데 사용됩니다. 그러나 GHz 대역과 같이 매우 높은 주파수가 사용되는 최대 경우에는 Pi 필터가 신호 전송 라인에 사용되며 PCB 트레이스 만 사용하여 설계됩니다.
위의 이미지는 트레이스가 매우 고주파 애플리케이션에서 인덕턴스와 커패시턴스를 생성하는 PCB 트레이스 기반 필터를 보여줍니다. 전송 라인 외에 Pi 필터는 변조 및 복조가 발생하는 RF 통신 장치에도 사용됩니다. Pi 필터는 수신기 측에서 수신 한 후 신호를 복조하기 위해 목표 주파수에 맞게 설계되었습니다. 고역 통과 Pi 필터는 또한 증폭 또는 전송 단계로 대상 고주파를 우회하는 데 사용됩니다.
파이 필터 설계 팁
적절한 Pi 필터를 설계하려면 문제없는 작동을 위해 적절한 PCB 설계 전술을 보상해야합니다. 이러한 팁은 아래에 나열되어 있습니다.
전력 전자
- Pi 필터 레이아웃에는 두꺼운 트레이스가 필요합니다.
- 전원 공급 장치에서 Pi 필터를 분리하는 것은 필수적입니다.
- 입력 커패시터, 인덕터 및 출력 커패시터 사이의 거리를 닫아야합니다.
- 출력 커패시터의 접지면은 적절한 접지면을 통해 드라이버 회로에 직접 연결되어야합니다.
- 설계가 고전압 DC에 연결되어야하는 노이즈 라인 (드라이버 용 고전압 감지 라인 등)으로 구성된 경우 Pi 필터의 최종 출력 커패시터 이전에 트레이스를 연결해야합니다. 이는 드라이버 회로 전반에 걸쳐 노이즈 내성과 원치 않는 노이즈 주입을 향상시킵니다.
RF 회로에서
- 구성 요소 선택은 RF 애플리케이션의 주요 기준입니다. 구성 요소의 허용 오차가 중요한 역할을합니다.
- PCB 트레이스의 작은 증가는 회로에서 인덕턴스를 유발할 수 있습니다. PCB 트레이스 인덕턴스를 고려하여 인덕터 선택시 적절한주의를 기울여야합니다. 스트레이 인덕턴스를 줄이기 위해 적절한 전술을 사용하여 설계해야합니다.
- 표류 커패시턴스를 최소화해야합니다.
- 폐쇄 배치가 필요합니다.
- 동축 케이블은 RF 애플리케이션의 입력 및 출력에 적합합니다.