電(diàn)路设计中的平均功率输出注意事项

2020-07-24

電(diàn)流和電(diàn)压的平均功率输出方程

关于平均功率因数的讨论在電(diàn)子學(xué)理(lǐ)论的基础上具有(yǒu)基础。欧姆定律告诉我们，電(diàn)路中的元素根据以下简单公式产生功率：

功率（P）等于流过元件的電(diàn)流（I）乘以元件上的電(diàn)压（V）或

 P = IV

在交流電(diàn)路中，電(diàn)流和電(diàn)压取决于时间并具有(yǒu)瞬时值。结果，瞬时功率方程式稍微改变為(wèi)：

P（t）= I（t）x V（t）

将“ t”放在括号内可(kě)以告诉我们该方程是时间相关的。诸如電(diàn)阻器之类的電(diàn)路元件具有(yǒu)保持同相的電(diàn)流和電(diàn)压。“ t”永遠(yuǎn)不变。相反，由于相位差，電(diàn)容器和電(diàn)感器的電(diàn)压和電(diàn)流会在一个周期内变化。由于功率也会从正变為(wèi)负，然后又(yòu)变為(wèi)正，因此電(diàn)容器或電(diàn)感器会在周期的某些部分(fēn)产生功率，而在其他(tā)部分(fēn)吸收功率。

瞬时功率的大小(xiǎo)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

電(diàn)路的功率因数等于電(diàn)路中传递的功率。在交流電(diàn)路中，功率因数保持小(xiǎo)于電(diàn)路的理(lǐ)论最大值，因為(wèi)電(diàn)压和電(diàn)流异相。

尽管有(yǒu)种种尝试按下“轻松”按钮并将平均值定律应用(yòng)于電(diàn)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(fēn)的求值）成為(wèi)我们整體(tǐ)计算的一部分(fēn)。

交流電(diàn)路交替产生和吸收功率。当功率因数的值大于零时，電(diàn)路中的電(diàn)阻器，電(diàn)容器和電(diàn)感器会产生功率。功率因数小(xiǎo)于零的電(diàn)路会吸收功率。

因為(wèi)我们真的不在乎瞬时值，所以我们使用(yòng)RMS值-或瞬时值平方的均方根。通过将交流電(diàn)压和電(diàn)流描述為(wèi)有(yǒu)效值或RMS值，我们可(kě)以将交流電(diàn)路的平均功率视為(wèi)RMS值。使用(yòng)RMS值可(kě)以给我们電(diàn)路的等效稳定DC或恒定值。

直流電(diàn)路中的電(diàn)阻和電(diàn)抗

在进行PCB设计时，我们经常使用(yòng)戴维南定理(lǐ)将直流電(diàn)路减少到等效電(diàn)压源和串联電(diàn)阻。戴维南定理(lǐ)变得尤為(wèi)重要，因為(wèi)我们认识到通过電(diàn)路传递的实际功率是電(diàn)源電(diàn)压，驱动直流组件或電(diàn)源的输出電(diàn)阻以及负载電(diàn)阻的函数。戴维南告诉我们，负载的電(diàn)阻加上输出串联電(diàn)阻会影响到达负载的输出電(diàn)流量。

直流電(diàn)源是出于功耗考虑而跟踪的另一种電(diàn)路。

另一个定理(lǐ)-称為(wèi)最大功率传递定理(lǐ)-讲了一个更好的故事。即，相等的负载（RL）和串联電(diàn)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(lǐ)显示為(wèi)：

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電(diàn)路上。然后，我们将注意力转向使用(yòng)最大传递定理(lǐ)的直流電(diàn)路。尽管这两个主题似乎有(yǒu)所不同，但最大功率传输对于交流電(diàn)路的设计很(hěn)重要。

让人惊讶的是，提到交流電(diàn)路会使我们遠(yuǎn)离電(diàn)阻，而使電(diàn)源和负载的阻抗和電(diàn)抗……又(yòu)回到了瞬时功率。考虑到阻抗和電(diàn)抗，该定理(lǐ)如下所示：

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

具有(yǒu)相等符号的相等的源電(diàn)阻和负载電(diàn)阻以及相等的源電(diàn)阻和负载電(diàn)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(kě)以将平均输出電(diàn)压/電(diàn)流与输入電(diàn)压/電(diàn)流进行比较。计算选定时间段内输出波形的积分(fēn)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電(diàn)路而言，寻求最大功率传输和最大效率变得尤為(wèi)重要。

在设计阶段以及完成整个系统的设计之后，您还可(kě)以使用(yòng)基于SPICE的仿真和EDA设计工具，以达到正确的源阻抗和负载阻抗。基于香料的仿真具有(yǒu)使用(yòng)实际组件模型的优势，并允许您在设计内实现最大的功率传输。