Piフィルター

フィルタは、不要な周波数を除去するために、電源およびオーディオ電子機器で一般的に使用されます。アプリケーションに基づいた電子回路設計で使用されるフィルターにはさまざまな種類がありますが、それらすべての基本的な概念は同じです。つまり、不要な信号を除去することです。これらのフィルターはすべて、アクティブフィルターとパッシブフィルターの2つのタイプに分類できます。アクティブフィルタは1つまたは複数のアクティブコンポーネントを他のパッシブコンポーネントとともに使用しますが、パッシブフィルタはパッシブコンポーネントのみを使用して作成されます。これらのフィルターについては、すでに詳しく説明しました。

アクティブハイパスフィルター
アクティブローパスフィルター
パッシブハイパスフィルター
パッシブローパスフィルター
バンドパスフィルター
高調波フィルター

このチュートリアルでは、電源回路設計で非常に一般的に使用されるPiFilterと呼ばれる別の新しいタイプのフィルターについて学習します。この5V2ASMPS回路や12V1A SMPS回路など、以前の電源設計のいくつかですでにPi-Filterを使用しています。それでは、これらのフィルターとは何か、そしてそれらをどのように設計するかについて詳しく見ていきましょう。

Pi-Filter

Pi Filterは、従来の2要素パッシブフィルター以外の主に3つのコンポーネントで構成されるタイプのパッシブフィルターです。すべてのコンポーネントの構造配置により、ギリシャ文字のPi（π）の形状が作成されるため、Piセクションフィルターという名前が付けられます。

ほとんどの場合、Piフィルターはローパスフィルターアプリケーションに使用されますが、別の構成も可能です。Piフィルターの主成分はコンデンサーとインダクターであり、LCフィルターになっています。ローパスフィルターのアプリケーションでは、コンデンサーがローパス構成で入力側に留まるため、Piフィルターはコンデンサー入力フィルターとも呼ばれます。

ローパスフィルターとしてのPiフィルター

Piフィルターは、従来のLCPiフィルターとは大きく異なる優れたローパスフィルターです。Piフィルターがローパス用に設計されている場合、出力は一定のk係数で安定したままです。

Pi構成を使用したローパスフィルターの設計は非常に簡単です。Piのフィルタ回路は、並列に接続された2個のコンデンサで構成されて次の画像に示すように、パイの形状を形成する直列のインダクタが続きます

上の画像に見られるように、それは中間の直列インダクタでグランドに接続された2つのコンデンサで構成されています。これはローパスフィルターであるため、高周波で高インピーダンス、低周波で低インピーダンスを生成します。したがって、不要な高周波をブロックするために伝送ラインで一般的に使用されます。

Piフィルター計算の構成とコンポーネント値は、以下の式から導き出して、アプリケーション用のPiフィルターを設計できます。

周波数カットオフ（FC）= 1 /ᴫ（LC）^1/2 容量の値は、（C）= 1 / Zさ_0ᴫfc インダクタンスの値（L1）= Z ₀ /ᴫfc 、Z _0はインピーダンス特性でありますオームで、fcはカットオフ周波数です。

ハイパスフィルターとしてのPiフィルター

ローパスフィルターと同様に、piフィルターもハイパスフィルターとして構成できます。このような場合、フィルターは低周波数をブロックし、高周波数を通過させます。また、2種類の受動部品、2つのインダクタ、1つのコンデンサを使用して作られています。

ローパス構成では、フィルターは2つのコンデンサーが間にインダクターと並列になるように設計されていますが、ハイパス構成では、受動部品の位置と量は正反対になります。ここでは、単一のインダクタの代わりに、2つの別々のインダクタが単一のコンデンサとともに使用されています。

上のPiフィルター回路の画像はハイパス構成のフィルターを示しており、構造もシンボルPiのように見えます。Piフィルターの構成とコンポーネントの値は、次の式から導き出すことができます–

周波数（FC）カットオフ= 1 /4ᴫ（LC）^1/2容量値（C）= 1 / 4Z _0ᴫfcインピーダンスの値（L1）= Z ₀ /4ᴫfc場合、Z _0はインピーダンス特性でありますオームで、fcはカットオフ周波数です。

Piフィルターの利点

高出力電圧

piフィルターの両端の出力電圧は非常に高いため、高電圧DCフィルターが必要なほとんどの電力関連アプリケーションに適しています。

低リップル係数

ローパスフィルターとして構成DCフィルターの目的では、Piフィルターは効率的なフィルターであり、ブリッジ整流器からの不要なACリップルをフィルターで除去します。コンデンサは、ACでは低インピーダンスを提供しますが、静電容量とリアクタンスの影響によりDCでは高抵抗を提供します。 AC両端のインピーダンスが低いため、Piフィルターの最初のコンデンサーはブリッジ整流器からのACリップルをバイパスします。バイパスされたACリップルはインダクタに入ります。インダクタは電流の変化に抵抗し、ACリップルをブロックします。ACリップルは2番目のコンデンサによってさらにフィルタリングされます。これらの複数段階のフィルタリングは、Piフィルター全体で非常に低いリップルの滑らかなDC出力を生成するのに役立ちます。

RFアプリケーションでの設計が容易

制御されたRF環境では、たとえばGHz帯域でより高い周波数の伝送が必要であり、高周波PiフィルターはPCBトレースのみを使用してPCBで簡単かつ柔軟に作成できます。高周波Piフィルターは、シリコンベースのフィルターよりもサージ耐性を提供します。たとえば、シリコンチップには耐電圧能力に限界がありますが、受動部品を使用して製造されたpiフィルタは、サージや過酷な産業環境に対してはるかに耐性があります。

Piフィルターのデメリット

より高いワット数のインダクタ値

RF設計以外では、電流がインダクタを流れる必要があるため、Piフィルタを介して大電流を流すことはお勧めできません。この負荷電流が比較的高い場合、インダクタのワット数も増加し、かさばって高価になります。また、インダクタを流れる大電流はインダクタ両端の電力損失を増加させ、効率を低下させます。

高い値の入力コンデンサ

Piフィルタのもう1つの大きな問題は、入力容量の値が大きいことです。Piフィルタは、入力の両端に高い静電容量を必要とします。これは、スペースに制約のあるアプリケーションで課題となりました。また、高価値のコンデンサは設計のコストを増加させます。

不良電圧レギュレーション

Piフィルターは、負荷電流が安定せず、絶えず変化する場合には適していません。Piフィルタは、負荷電流が大きくドリフトするときに、不適切な電圧レギュレーションを提供します。このようなアプリケーションでは、Lセクションのフィルターが推奨されます。

Piフィルターの適用

電力変換器

すでに説明したように、PiフィルターはACリップルを抑制する優れたDCフィルターです。この動作により、PiフィルターはAC-DCコンバーター、周波数コンバーターなどのパワーエレクトロニクス設計で広く使用されています。ただし、パワーエレクトロニクスでは、Piフィルターはローパスフィルターとして使用され、すでにPiフィルター電源回路を設計しています。以下に示すように、12V 1ASMPS設計。

一般に、Piフィルターはブリッジ整流器に直接接続されており、Piフィルターの出力は高電圧DCと呼ばれます。出力DC高電圧は、さらなる動作のための電源ドライバ回路に使用されます。

ブリッジ整流ダイオードからドライバーまでのこの構造は、Pi-Filterの動作とは異なる動作をします。まず、このPiフィルターは、ドライバー回路全体のリップルのない動作にスムーズなDCを提供し、電源の最終出力からの出力リップルを低くします。もう1つは、メインラインを高いスイッチング周波数から分離するためのものです。ドライバー回路。

適切に構築されたラインフィルターは、コモンモードフィルター（独立した単一導体のようにノイズ信号を除去するフィルター）とディファレンシャルモードフィルター（2つのスイッチング周波数ノイズ、特にメインラインに追加できる高周波ノイズを区別する）を提供できます。 Piフィルターが重要なコンポーネントである電源で。パイフィルターは、パワーエレクトロニクスアプリケーションで使用される場合、パワーラインフィルターとも呼ばれます。

RFアプリケーション

RFアプリケーションでは、Piフィルターはさまざまな操作とさまざまな構成で使用されます。たとえば、RFアプリケーションでは、インピーダンスの整合が大きな要因であり、Piフィルタを使用して、RFアンテナ全体およびRF増幅器の前のインピーダンスを整合します。ただし、GHz帯域などの非常に高い周波数が使用される最大の場合、Piフィルタは信号伝送ラインで使用され、PCBトレースのみを使用して設計されます。

上の画像は、非常に高周波のアプリケーションでトレースがインダクタンスと静電容量を生成するPCBトレースベースのフィルターを示しています。伝送線路の他に、Piフィルターは変調と復調が行われるRF通信デバイスでも使用されます。Piフィルターは、受信機側で受信した後、信号を復調するためのターゲット周波数用に設計されています。ハイパスPiフィルターは、ターゲットの高周波を増幅または伝送ステージにバイパスするためにも使用されます。

Pi-Filterの設計のヒント

適切なPiフィルターを設計するには、問題のない操作のために適切なPCB設計戦術を補正する必要があります。これらのヒントを以下に示します。

パワーエレクトロニクス

Piフィルターのレイアウトには太いトレースが必要です。
Piフィルターを電源ユニットから分離することが不可欠です。
入力コンデンサ、インダクタ、および出力コンデンサの間の距離を閉じる必要があります。
出力コンデンサのグランドプレーンは、適切なグランドプレーンを介してドライバ回路に直接接続する必要があります。
設計が高電圧DCの両端に接続する必要があるノイズの多いライン（ドライバーの高電圧センスラインなど）で構成されている場合は、Piフィルターの最終出力コンデンサの前にトレースを接続する必要があります。これにより、ドライバ回路全体のノイズ耐性と不要なノイズ注入が改善されます。

RF回路で

コンポーネントの選択は、RFアプリケーションの主要な基準です。コンポーネントの公差が大きな役割を果たします。
PCBトレースのわずかな増加は、回路にインダクタンスを引き起こす可能性があります。PCBトレースインダクタンスを考慮して、インダクタの選択には適切な注意を払う必要があります。浮遊インダクタンスを低減するために、適切な戦術を使用して設計を行う必要があります。
浮遊容量を最小限に抑える必要があります。
クローズドプレースメントが必要です。
同軸ケーブルは、RFアプリケーションの入力と出力に適しています。