PCB電路設(shè)計(jì)中的平均功率輸出注意事項(xiàng)

如果您在任何級(jí)別觀(guān)看足球或籃球，都會(huì)聽(tīng)到一兩個(gè)球迷說(shuō)：“那是一場(chǎng)糟糕的比賽。但是，下一場(chǎng)戲彌補(bǔ)了這一點(diǎn)?！?人們普遍相信某個(gè)事件會(huì)補(bǔ)償另一個(gè)事件，這使我們進(jìn)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(shè)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(shù)學(xué)關(guān)系。統(tǒng)計(jì)數(shù)字避開(kāi)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(shè)世界中。在這個(gè)世界上，可以放心地認(rèn)為無(wú)生命的足球具有可預(yù)測(cè)的動(dòng)作，短期和長(zhǎng)期記憶，并且希望能夠幫助感興趣的團(tuán)體成功贏(yíng)得超級(jí)碗的賭注。

平均值定律在電子產(chǎn)品中沒(méi)有歸屬。取而代之的是，技術(shù)人員，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和工程師使用實(shí)數(shù)工作并實(shí)踐實(shí)科學(xué)。諸如“平均功率因數(shù)”之類(lèi)的短語(yǔ)具有具體含義，并且沒(méi)有假設(shè)依據(jù)。

電流和電壓的平均功率輸出方程

關(guān)于平均功率因數(shù)的討論在電子學(xué)理論的基礎(chǔ)上具有基礎(chǔ)。歐姆定律告訴我們，電路中的元素根據(jù)以下簡(jiǎn)單公式產(chǎn)生功率：

功率（P）等于流過(guò)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(shí)間并具有瞬時(shí)值。結(jié)果，瞬時(shí)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(hào)內(nèi)可以告訴我們?cè)摲匠淌菚r(shí)間相關(guān)的。諸如電阻器之類(lèi)的電路元件具有保持同相的電流和電壓?！?t”永遠(yuǎn)不變。相反，由于相位差，電容器和電感器的電壓和電流會(huì)在一個(gè)周期內(nèi)變化。由于功率也會(huì)從正變?yōu)樨?fù)，然后又變?yōu)檎?，因?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容器或電感器會(huì)在周期的某些部分產(chǎn)生功率，而在其他部分吸收功率。

瞬時(shí)功率的大小會(huì)發(fā)生變化，并且會(huì)在一個(gè)周期內(nèi)變化。由于這些不斷的變化，我們通常不會(huì)太在意瞬時(shí)功率。

但是，查看功率的另一種方法仍在我們的雷達(dá)上。平均功率等于一段時(shí)間內(nèi)的平均功率。我們通過(guò)平均一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)功率的時(shí)間來(lái)定義平均功率。

平均功率，振蕩和RMS值

電路的功率因數(shù)等于電路中傳遞的功率。在交流電路中，功率因數(shù)保持小于電路的理論最大值，因?yàn)殡妷汉碗娏鳟愊唷?/span>

盡管有種種嘗試按下“輕松”按鈕并將平均值定律應(yīng)用于電路的誘惑，但我們無(wú)法遵循這一道路。平均功率取決于三角關(guān)系。回到上一段，我們知道平均功率等于一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)功率的時(shí)間平均值，或者：

攤鋪=?/0V0cos?

當(dāng)我們計(jì)算平均功率時(shí)，振蕩方程的周期（或總時(shí)間除以振蕩次數(shù)以及兩個(gè)積分的求值）成為我們整體計(jì)算的一部分。

交流電路交替產(chǎn)生和吸收功率。當(dāng)功率因數(shù)的值大于零時(shí)，電路中的電阻器，電容器和電感器會(huì)產(chǎn)生功率。功率因數(shù)小于零的電路會(huì)吸收功率。

因?yàn)槲覀冋娴牟辉诤跛矔r(shí)值，所以我們使用RMS值-或瞬時(shí)值平方的均方根。通過(guò)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(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，我們經(jīng)常使用戴維南定理將直流電路減少到等效電壓源和串聯(lián)電阻。戴維南定理變得尤為重要，因?yàn)槲覀冋J(rèn)識(shí)到，通過(guò)電路傳遞的實(shí)際功率是電源電壓，驅(qū)動(dòng)直流組件或電源的輸出電阻以及負(fù)載電阻的函數(shù)。戴維南告訴我們，負(fù)載的電阻加上輸出串聯(lián)電阻會(huì)影響到達(dá)負(fù)載的輸出電流量。

另一個(gè)定理-稱(chēng)為最大功率傳遞定理-講了一個(gè)更好的故事。即，相等的負(fù)載（RL）和串聯(lián)電阻（RS）允許將最大的功率傳輸?shù)截?fù)載。在方程式中，最大功率傳遞定理顯示為：

當(dāng)RL = RS時(shí)Pmax = V2 / 4RL

當(dāng)我們第一次討論平均功率輸出時(shí)，我們將重點(diǎn)放在交流電路上。然后，我們將注意力轉(zhuǎn)向使用最大傳遞定理的直流電路。盡管兩個(gè)主題似乎有所不同，但最大功率傳輸對(duì)于交流電路的設(shè)計(jì)很重要。

令人驚訝的是，提到交流電路會(huì)使我們遠(yuǎn)離電阻，而使電源和負(fù)載的阻抗和電抗……又回到了瞬時(shí)功率。考慮到阻抗和電抗，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(hào)的相等的源電阻和負(fù)載電阻以及相等的源電阻和負(fù)載電抗產(chǎn)生最大的瞬時(shí)功率。

平均功率輸出循環(huán)和精度

考慮PCB設(shè)計(jì)的功率傳輸特性時(shí)，可以將平均輸出電壓/電流與輸入電壓/電流進(jìn)行比較。計(jì)算選定時(shí)間段內(nèi)輸出波形的積分將得出平均值。除了實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸?shù)哪繕?biāo)外，我們還在PCB設(shè)計(jì)中尋求最高效率。對(duì)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(shè)計(jì)階段以及完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之后，您還可以使用基于SPICE的仿真和EDA設(shè)計(jì)工具，以獲取正確的源阻抗和負(fù)載阻抗?；谙懔系姆抡婢哂惺褂脤?shí)際組件模型的優(yōu)勢(shì)，并允許您在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸。