PCB電路設計中的平均功率輸出注意事項

如果您在任何級別觀看足球或籃球，都會聽到一兩個球迷說：“那是一場糟糕的比賽。但是，下一場戲彌補了這一點?！?人們普遍相信某個事件會補償另一個事件，這使我們進入了著名的或臭名昭著的平均律。平均法則以其最基本的形式假設生活中存在不自然的平衡。

平均律是一廂情愿的玩物。該定律不存在數學關系。統計數字避開了平均值定律。我們不在物理課上研究平均律。

相反，任何相信平均律的人都生活在令人愉快的假設世界中。在這個世界上，可以放心地認為無生命的足球具有可預測的動作，短期和長期記憶，并且希望能夠幫助感興趣的團體成功贏得超級碗的賭注。

平均值定律在電子產品中沒有歸屬。取而代之的是，技術人員，設計團隊和工程師使用實數工作并實踐實科學。諸如“平均功率因數”之類的短語具有具體含義，并且沒有假設依據。

電流和電壓的平均功率輸出方程

關于平均功率因數的討論在電子學理論的基礎上具有基礎。歐姆定律告訴我們，電路中的元素根據以下簡單公式產生功率：

功率（P）等于流過元件的電流（I）乘以元件上的電壓（V）或

P = IV

在交流電路中，電流和電壓取決于時間并具有瞬時值。結果，瞬時功率方程式稍微改變?yōu)椋?/span>

P（t）= I（t）x V（t）

將“ t”放在括號內可以告訴我們該方程是時間相關的。諸如電阻器之類的電路元件具有保持同相的電流和電壓?！?t”永遠不變。相反，由于相位差，電容器和電感器的電壓和電流會在一個周期內變化。由于功率也會從正變?yōu)樨?，然后又變?yōu)檎?，因?a href="http://ttokpm.com/tags/電容/" target="_blank">電容器或電感器會在周期的某些部分產生功率，而在其他部分吸收功率。

瞬時功率的大小會發(fā)生變化，并且會在一個周期內變化。由于這些不斷的變化，我們通常不會太在意瞬時功率。

但是，查看功率的另一種方法仍在我們的雷達上。平均功率等于一段時間內的平均功率。我們通過平均一個周期內瞬時功率的時間來定義平均功率。

平均功率，振蕩和RMS值

電路的功率因數等于電路中傳遞的功率。在交流電路中，功率因數保持小于電路的理論最大值，因為電壓和電流異相。

盡管有種種嘗試按下“輕松”按鈕并將平均值定律應用于電路的誘惑，但我們無法遵循這一道路。平均功率取決于三角關系?；氐缴弦欢?，我們知道平均功率等于一個周期內瞬時功率的時間平均值，或者：

攤鋪=?/0V0cos?

當我們計算平均功率時，振蕩方程的周期（或總時間除以振蕩次數以及兩個積分的求值）成為我們整體計算的一部分。

交流電路交替產生和吸收功率。當功率因數的值大于零時，電路中的電阻器，電容器和電感器會產生功率。功率因數小于零的電路會吸收功率。

因為我們真的不在乎瞬時值，所以我們使用RMS值-或瞬時值平方的均方根。通過將交流電壓和電流描述為有效值或RMS值，我們可以將交流電路的平均功率視為RMS值。使用RMS值可以給我們電路的等效穩(wěn)定直流或恒定值。

直流電路中的電阻和電抗

在進行PCB設計時，我們經常使用戴維南定理將直流電路減少到等效電壓源和串聯電阻。戴維南定理變得尤為重要，因為我們認識到，通過電路傳遞的實際功率是電源電壓，驅動直流組件或電源的輸出電阻以及負載電阻的函數。戴維南告訴我們，負載的電阻加上輸出串聯電阻會影響到達負載的輸出電流量。

另一個定理-稱為最大功率傳遞定理-講了一個更好的故事。即，相等的負載（RL）和串聯電阻（RS）允許將最大的功率傳輸到負載。在方程式中，最大功率傳遞定理顯示為：

當RL = RS時Pmax = V2 / 4RL

當我們第一次討論平均功率輸出時，我們將重點放在交流電路上。然后，我們將注意力轉向使用最大傳遞定理的直流電路。盡管兩個主題似乎有所不同，但最大功率傳輸對于交流電路的設計很重要。

令人驚訝的是，提到交流電路會使我們遠離電阻，而使電源和負載的阻抗和電抗……又回到了瞬時功率?？紤]到阻抗和電抗，該定理如下所示：

PL（t）= V（t）2（RL + iXL）/（RS + IXs + RL + iXL）2

具有相反符號的相等的源電阻和負載電阻以及相等的源電阻和負載電抗產生最大的瞬時功率。

平均功率輸出循環(huán)和精度

考慮PCB設計的功率傳輸特性時，可以將平均輸出電壓/電流與輸入電壓/電流進行比較。計算選定時間段內輸出波形的積分將得出平均值。除了實現最大功率傳輸的目標外，我們還在PCB設計中尋求最高效率。對于RF電路而言，尋求最大功率傳輸和最大效率變得尤為重要。

在設計階段以及完成整個系統的設計之后，您還可以使用基于SPICE的仿真和EDA設計工具，以獲取正確的源阻抗和負載阻抗?；谙懔系姆抡婢哂惺褂脤嶋H組件模型的優(yōu)勢，并允許您在設計中實現最大的功率傳輸。