PCB电路设计中的平均功率输出注意事项

如果您在任何级别观看足球或篮球，都会听到一两个球迷说：“那是一场糟糕的比赛。但是，下一场戏弥补了这一点。” 人们普遍相信某个事件会补偿另一个事件，这使我们进入了著名的或臭名昭著的平均律。平均法则以其最基本的形式假设生活中存在不自然的平衡。

平均律是一厢情愿的玩物。该定律不存在数学关系。统计数字避开了平均值定律。我们不在物理课上研究平均律。

相反，任何相信平均律的人都生活在令人愉快的假设世界中。在这个世界上，可以放心地认为无生命的足球具有可预测的动作，短期和长期记忆，并且希望能够帮助感兴趣的团体成功赢得超级碗的赌注。

平均值定律在电子产品中没有归属。取而代之的是，技术人员，设计团队和工程师使用实数工作并实践实科学。诸如“平均功率因数”之类的短语具有具体含义，并且没有假设依据。

电流和电压的平均功率输出方程

关于平均功率因数的讨论在电子学理论的基础上具有基础。欧姆定律告诉我们，电路中的元素根据以下简单公式产生功率：

功率（P）等于流过元件的电流（I）乘以元件上的电压（V）或

 P = IV

在交流电路中，电流和电压取决于时间并具有瞬时值。结果，瞬时功率方程式稍微改变为：

P（t）= I（t）x V（t）

将“ t”放在括号内可以告诉我们该方程是时间相关的。诸如电阻器之类的电路元件具有保持同相的电流和电压。“ t”永远不变。相反，由于相位差，电容器和电感器的电压和电流会在一个周期内变化。由于功率也会从正变为负，然后又变为正，因此电容器或电感器会在周期的某些部分产生功率，而在其他部分吸收功率。

瞬时功率的大小会发生变化，并且会在一个周期内变化。由于这些不断的变化，我们通常不会太在意瞬时功率。

 

但是，查看功率的另一种方法仍在我们的雷达上。平均功率等于一段时间内的平均功率。我们通过平均一个周期内瞬时功率的时间来定义平均功率。

平均功率，振荡和RMS值

电路的功率因数等于电路中传递的功率。在交流电路中，功率因数保持小于电路的理论最大值，因为电压和电流异相。

尽管有种种尝试按下“轻松”按钮并将平均值定律应用于电路的诱惑，但我们无法遵循这一道路。平均功率取决于三角关系。回到上一段，我们知道平均功率等于一个周期内瞬时功率的时间平均值，或者：

摊铺=½/0V0cosØ

当我们计算平均功率时，振荡方程的周期（或总时间除以振荡次数以及两个积分的求值）成为我们整体计算的一部分。

交流电路交替产生和吸收功率。当功率因数的值大于零时，电路中的电阻器，电容器和电感器会产生功率。功率因数小于零的电路会吸收功率。

因为我们真的不在乎瞬时值，所以我们使用RMS值-或瞬时值平方的均方根。通过将交流电压和电流描述为有效值或RMS值，我们可以将交流电路的平均功率视为RMS值。使用RMS值可以给我们电路的等效稳定直流或恒定值。

直流电路中的电阻和电抗

在进行PCB设计时，我们经常使用戴维南定理将直流电路减少到等效电压源和串联电阻。戴维南定理变得尤为重要，因为我们认识到，通过电路传递的实际功率是电源电压，驱动直流组件或电源的输出电阻以及负载电阻的函数。戴维南告诉我们，负载的电阻加上输出串联电阻会影响到达负载的输出电流量。

 

另一个定理-称为最大功率传递定理-讲了一个更好的故事。即，相等的负载（RL）和串联电阻（RS）允许将最大的功率传输到负载。在方程式中，最大功率传递定理显示为：

当RL = RS时Pmax = V2 / 4RL

当我们第一次讨论平均功率输出时，我们将重点放在交流电路上。然后，我们将注意力转向使用最大传递定理的直流电路。尽管两个主题似乎有所不同，但最大功率传输对于交流电路的设计很重要。

令人惊讶的是，提到交流电路会使我们远离电阻，而使电源和负载的阻抗和电抗……又回到了瞬时功率。考虑到阻抗和电抗，该定理如下所示：

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

具有相反符号的相等的源电阻和负载电阻以及相等的源电阻和负载电抗产生最大的瞬时功率。

平均功率输出循环和精度

考虑PCB设计的功率传输特性时，可以将平均输出电压/电流与输入电压/电流进行比较。计算选定时间段内输出波形的积分将得出平均值。除了实现最大功率传输的目标外，我们还在PCB设计中寻求最高效率。对于RF电路而言，寻求最大功率传输和最大效率变得尤为重要。

在设计阶段以及完成整个系统的设计之后，您还可以使用基于SPICE的仿真和EDA设计工具，以获取正确的源阻抗和负载阻抗。基于香料的仿真具有使用实际组件模型的优势，并允许您在设计中实现最大的功率传输。