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技術(shù)專(zhuān)題
電路設計中的平均功率輸出注意事項
電流和電壓的平均功率輸出方程
關(guān)于平均功率因數的討論在電子學(xué)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(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”放在括號內可以告訴我們該方程是時(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)周期內變化。由于功率也會(huì )從正變?yōu)樨?，然后又變?yōu)檎?，因此電容器或電感器?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上。平均功率等于一段時(shí)間內的平均功率。我們通過(guò)平均一個(gè)周期內瞬時(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(wú)法遵循這一道路。平均功率取決于三角關(guān)系?；氐缴弦欢?，我們知道平均功率等于一個(gè)周期內瞬時(shí)功率的時(shí)間平均值，或者：
攤鋪=?/0V0cos?
當我們計算平均功率時(shí)，振蕩方程的周期（或總時(shí)間除以振蕩次數以及兩個(gè)積分的求值）成為我們整體計算的一部分。
交流電路交替產(chǎn)生和吸收功率。當功率因數的值大于零時(shí)，電路中的電阻器，電容器和電感器會(huì )產(chǎn)生功率。功率因數小于零的電路會(huì )吸收功率。
因為我們真的不在乎瞬時(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定DC或恒定值。
直流電路中的電阻和電抗
在進(jìn)行PCB設計時(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，因為我們認識到通過(guò)電路傳遞的實(shí)際功率是電源電壓，驅動(dòng)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(lián)電阻會(huì )影響到達負載的輸出電流量。
直流電源是出于功耗考慮而跟蹤的另一種電路。
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，相等的負載（RL）和串聯(lián)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(shí)Pmax = V2 / 4RL
當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，我們將注意力轉向使用最大傳遞定理的直流電路。盡管這兩個(gè)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。
讓人驚訝的是，提到交流電路會(huì )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(shí)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
具有相等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(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設計的功率傳輸特性時(shí)，可以將平均輸出電壓/電流與輸入電壓/電流進(jìn)行比較。計算選定時(shí)間段內輸出波形的積分將得出平均值。除了實(shí)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(gè)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，以達到正確的源阻抗和負載阻抗?；谙懔系姆抡婢哂惺褂脤?shí)際組件模型的優(yōu)勢，并允許您在設計內實(shí)現最大的功率傳輸。