使用功率因数计算的PCBA可靠性
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功率因数(pf)是多少?
如何对电路板进行功率因数计算。
如何使用功率因数计算来提高PCBA的可靠性。
测量功率因数
我想你可以说我很幸运，因为我有机会不仅从理论上学习电气工程，而且还在拥有最先进设备和经典工具的实验室工作。例如，数字仪表并不缺乏;然而，也有各种各样的磁性仪器，可以测量从伏特、电流到特斯拉的一切。除了示波器之外，最有用的是提供电路利用或供电能力信息的仪表。
可以说，电路、电路板或系统功率的最重要方面是功率因数(pf)。pf提供了可用电力(称为实功率，以瓦特(W)表示)与总功率或视功率(伏安(VA)表示)的比率。视在功率是由实际功率和无功功率的矢量相加确定的-用伏安无功(VARs)表示-这是从无功电路元件吸收或发射的功率。这种关系确实对直接测量功率因数提出了挑战。让我们看看如何进行功率因数计算并将其用于优化设计以提高可靠性．
如何计算电路的功率因数?
在定义功率因数之前，定义电路中各种类型的功率及其相互关系是有用的。所有电力由真功率(在电阻元件中消散)和无功功率(在无功元件中储存和释放)组成。总功率的这两部分加在一起就形成了一个复数，我们称之为“视功率”。因为视功率包含阻性和无功部分，我们需要像对待阻抗一样，从矢量上对待它。我们可以将其每个部分可视化(如下面的幂三角图所示)。
具有领先和落后功率因数的功率三角形
如图所示，我们定义了三个电功率量:P =真功率;Q =无功功率;S =视功率。真正的功率是实际做功的功率，它要么由电阻元件提供，要么被电阻元件吸收。在后一种情况下，这意味着真正的功率以热量的形式消散。无功功率由有电抗的元件提供或吸收，只适用于交流电路。视在功率表示提供给电路或可用于传输的总功率，是真功率和无功功率的和。
电路的功率因数定义为P/|S|，即真实功率与总功率大小的比值。如果你还记得线性代数课上的欧拉公式，那么你可能还记得视幂S可以用相位角来定义。简单地说，这个相位角就是上面这个幂三角形中所示的角。利用欧拉公式，我们可以定义功率因数如下:
在设计用于功率传递的电路时，设计目标是通过最小化电感性和电容性对功率因数的贡献来最大化在电阻性负载下测量的PF。这可以通过多种方式实现，稍后我们将对此进行探讨。
大多数情况下，系统运行时Q≠0,S≠P，这意味着一些功率以无功功率的形式存储和释放。对于某些系统中的组件，例如电源转换系统中的变压器，我们更希望是这种情况，因为我们不希望电路通过散热损失任何真正的功率。功率角从矢量上说明了无功功率矢量的大小以及真功率矢量和视功率矢量之间的位移。
最大功率传输
还是参照这个图，无功功率矢量，问l而且问c，均与实功率矢量p正交。对于电路或系统，其无功功率的计算方法为代数和+问l和- - - - - -问c表示如下:
如果问l>问c，则电路感应。
如果问l<问c，则电路电容性。
有趣的情况发生在问l＝问c或者Q=0。在这种情况下，S= P，所有的功率都是实数或可用作功。这被称为最大功率传输并且是电路之间信号传递的理想条件。
这个公式表明，如果电力系统的功率因数较低，则通过增加一些电抗(电容、电感或两者兼有)可以增加向负载传递的实际功率。这是谐振开关变换器中功率转换和输出补偿和控制的一种方式。为提供此功能而设计的特定电路被调用功率因数校正(PFC)电路，这些可能在某些系统上是必需的，这取决于当地情况。
功率因数计算的三角函数
如前所述，功率因数通常用功率角的余弦来计算。然而，我们可以使用构成视功率、真功率或无功功率定义的其他量来计算相位角θ，从而计算功率因数cos(θ)。利用上述幂三角中基本三角函数及其逆函数的定义，我们可以利用下列关系。
所有这些方程都可以很容易地从勾股定理的方程中推导出来，如下所示与幂三角形有关。
年代2= P2+问2——> S = P2+问2（2）
注意到视功率是电压和电流的乘积，得到以下公式:
S =六(3)
P =维科(θ)(4)
Q = VIsin(θ)(5)
上面的任何方程，包括推导，都可以用来确定你的电路板上的功率因数。
功率因数计算示例
考虑一个电力系统，60hz电压输出V = 5.12 V @ +16°相位角，电流输出I = 1.3 a @ -32°相位角。这个系统的功率因数是多少?你可以遵循以下步骤:
- 计算电压和电流之间的相位角:+16°-(-32°)= 48°
- 计算真实功率:P = (5.12 V)(1.3 A)cos(48°)= 4.454 W
- 计算视在功率:S = (5.12 V)(1.3 A) = 6.656 VA
- 用#2除以#3得到PF = 0.6691，或大约67%。
聪明的读者应该注意到功率因数正好等于余弦电压和电流之间的相位差．注意，这只适用于电压和电流具有相同的正弦特性和频率。更一般地说，这不是任意波形(例如，真正的开关转换器)的情况。然而，对于谐波交流电力系统，相位角提供了另一种计算功率因数的方法:简单地查看给定负载分量的输出电压和电流之间的相位差，然后取余弦。
对于其他系统，您知道交付给负载的功率和视在功率，您可以使用下面所示的示例功率因数计算器来确定功率因数。
功率因数计算对pcb很重要吗?
对这个问题的简短回答是肯定的!为了在电子设备、产品、系统、电器或车上使用，pcba必须与其他单板对接或者是用来输送能量的设备。此外，今天的电路板通常包含一个或多个高速电子信号，使信号的完整性这包括优化电力传输和最小化损失，这是主要的设计考虑因素。
无论是在单个PCBA上从一个组件传输到另一个组件，还是在不同电路板上的连接器之间传输，还是传输到负载设备，功率水平，也就是功率因数，都是很重要的PCB布局设计的因素。并且，功率因数计算可以纳入到设计过程中，如下所述。
如何使用功率因数计算更可靠的电路板设计
电力系统PF最大化的目标是确保电力被输送到阻性负载组件，而不是作为热量在组件中散失。这样，设计就会更有效率。实际上，功率因数是衡量功率转换效率的指标。功率因数小于95%有时被认为是电力系统不可接受的。
在构建电路板之前，应优化功率传输和最大限度地提高在负载组件上测量的功率因数，因为随后进行设计更改将增加PCBA开发的时间和成本。为了避免这些问题，您应该在设计过程中进行模拟和分析。然而，这确实要求您拥有可以为功率流计算提供必要数据的工具(如PSpice，如下所示)。
功率因数是通过比较电力系统输出端口的电压和电流的模拟结果来确定的。考虑下面的结果。在这里，电流和电压不是同步排列的，因此一些功率将作为无功功率耗散。这是你的第一个线索，设计有一个低功率因数，有一些无功或感应贡献的功率输出，需要补偿。
利用PSpice仿真优化电路功率因数
如图所示，PSpice软件可提供可用于功率因数计算的图形和数值结果。此功能集成到Cadence的PCB设计包并提供所有混合信号仿真与分析你需要设计你的电路板，一旦在现场可靠地执行所需的能力。
如果您想了解更多Cadence如何为您提供解决方案，跟我们和我们的专家团队谈谈吧．