Manipulando correntes transitórias em dispositivos alimentados por USB


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Estou trabalhando em um design de alto-falante alimentado por USB e poderia usar algumas idéias ou sugestões de design da comunidade.

A parte dos dados é bem simples - o USB alimenta uma ponte I2S que fala com um amplificador I2S. A energia, no entanto, é mais desafiadora porque estou tentando lidar com transitórios significativos da carga, respeitando o limite de 500mA USB.

Isso se traduz em um circuito de limite de corrente que limita a 500 - (soma de todos os outros chips) mA na entrada. Uma grande capacitância na saída do limite de corrente deve ser o buffer para lidar com correntes transitórias. Essa capacitância ligada a um conversor de impulso que alimenta o amplificador deve funcionar, certo? Não.

A tensão de entrada de um conversor de impulso afeta linearmente a corrente de saída e, nas tensões de entrada mais baixas, a corrente de saída é limitada a 200mA, em média, na maioria das peças que eu observei até agora. Há uma compensação a ser feita em quão baixo você ajusta o balanço de tensão sobre a (s) tampa (s) do reservatório versus a corrente de saída do reforço.

O objetivo é entregar o 500 - (soma de outros chips) mA ao amplificador em operação normal e adicionar até mais 1 Ampere com a ajuda da tampa do reservatório e do circuito de reforço durante os transientes. O que estou tendo dificuldade para descobrir são as peças certas e a capacitância certa para esse design. Também estou disposto a recomeçar a parte de poder do design, a partir de uma solução melhor.

Ansioso para ouvir seus pensamentos sobre o que seria uma boa solução.


Você já usou um limitador de corrente de irrupção? É um aplicativo um pouco diferente - mas pode funcionar. Estou pensando que seu pico pode ser rápido demais para um. Qual a velocidade dos transientes?
18713 Brad

Projetar para o dobro do nível de corrente não transitória ( máximo de 1 Ampere v / s 500 mA da fonte ) a ser obtido pelos capacitores do reservatório será desafiador, para dizer o mínimo. Qual o tamanho do seu design? Além disso, capacitores grandes exigirão mais compromissos de design cuidadosos, para que não danifiquem qualquer proteção existente na linha de suprimento USB (ou danifiquem algo mais caro) no transiente inicial de carregamento.
Anindo Ghosh

@ Brad: O projeto que tenho no momento é usar um comutador de corrente limitado, que cuida tanto da corrente de partida quanto da sobrecorrente. O tempo transitório é um tópico interessante. Como é um aplicativo de áudio, você pode dizer que o transitório dura centenas de milissegundos, porque é por quanto tempo um prato de impacto alto ou baixo thumpin o conduziria acima da média. No mesmo clipe de som, posso dizer que os transientes estão no nível de dezenas de microssegundos porque os níveis de pico a pico acima de RMS ocorrem como tal na granularidade real do sinal, enquanto o sinal inteiro decai exponencialmente.
Skateboarder

@Anindo: O tamanho é um problema, por isso estou pensando em usar o melhor dielétrico possível para a maior capacitância possível de extrair peças de montagem em superfície. Todas as três dimensões têm restrições de espaço significativas - não podem ter latas eletrolíticas gigantescas. = P O limite de corrente de energização e a proteção de sobrecorrente devem impedir que a capacitância estrague o circuito do host. É difícil descobrir a capacitância mágica para um design como este. Demais, e você está se machucando. Muito pouco e o trabalho não é realizado.
Skater

Então, uma coisa com a qual estou mexendo (em outro post) é criar um poder para alimentar o que eu preciso - e, obviamente, colocar um grande (dois) capacitores entre ele e um terra isolado. Eu então uso um indutor para conectar esse poder "bem" à energia principal, para limitar os picos de corrente. Portanto, o indutor limita os picos de corrente, e o limite dá a ele um "impulso" sob demanda. Os dois juntos formam um filtro passa-baixo. Eu não sei exatamente como "afinar", no entanto.
19413 Brad

Respostas:


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Você leu Kollman e Betten, "Ligando a eletrônica a partir da porta USB" ?

Uma grande capacitância na saída do limite de corrente deve ser o buffer para lidar com correntes transitórias. Essa capacitância ligada a um conversor de impulso que alimenta o amplificador deve funcionar, certo?

Isso parece bastante razoável:

USB power-->--[A]--|D>|-+--[B]-+-[E]--[S]
       |                |      |
       |               [C1]   [C2]
       |                |      |
      GND              GND    GND

Onde

  • [A] é um conversor de impulso limitado por corrente de entrada,
  • | D> | é o diodo final de saída típico de tais conversores de impulso,
  • [B] é outro regulador DC-DC (talvez um regulador buck),
  • [E] é o amplificador de áudio,
  • [S] são os alto-falantes de saída.
  • [C1] é um capacitor de armazenamento intermediário com voltagem muito variável,
  • [C2] é um capacitor de armazenamento que B regula firmemente o que E requer.

Qual é a tua pergunta exatamente? Não tenho certeza, então vou fazer três palpites:

P: É possível enviar 5 W (pico) para os alto-falantes, respeitando o limite de 500 mA USB?

A: sim Embora as leis traquinas da física nos impeçam de enviar uma média de longo prazo de 5 W aos alto-falantes, respeitando o limite de 500 mA USB (o que nos limita a extrair no máximo 500 mA * 5 V = 2,5 W a qualquer instante), a idéia armazenar energia durante as seções "silenciosas" da música e depois despejar essa energia armazenada nos alto-falantes durante transientes altos é razoável. Entendo que todos os amplificadores de áudio alimentados por rede elétrica que cumpram a lei EN61000-3-2, exigida pela UE, já fazem isso - eles limitam a corrente que extraem da tomada da rede elétrica para manter o fator de potência apropriado, e armazene a energia em um banco de capacitores como [C1]. Durante o cruzamento de zero muitas vezes por segundo, é impossível extrair energia da tomada.

Mais cedo ou mais tarde, parece provável que algum usuário gire o botão de volume até o fim e tente tocar uma música que pede ao amplificador que faça algo impossível - despejar continuamente 5 W de potência no alto-falante. Conheço alguns designers que discordam de como o amplificador deve responder a uma solicitação tão impossível:

  • (a) Tente tocar a música perfeitamente no volume definido pelo homem pelo maior tempo possível, até que o capacitor de armazenamento seja mais ou menos completamente drenado. Em seguida, desligue o amplificador de áudio e fique em silêncio até que o capacitor de armazenamento seja completamente recarregado.
  • (b) Tente tocar a música perfeitamente no volume definido pelo homem pelo maior tempo possível; mas defina o nível de recorte proporcional à quantidade de energia disponível no capacitor de armazenamento (de preferência com recorte suave, também chamado de compressão de ganho ); uma fala tão silenciosa, seguida por ruídos altos muito breves, sempre toca no volume definido pelo homem, mas sons altos que duram um pouco ficam progressivamente mais distorcidos.
  • (c) Tocar a música perfeitamente no volume definido pelo homem, desde que o capacitor de armazenamento esteja próximo da carga total; ajuste gradualmente o volume real mais baixo quando perceber que ruídos altos drenam uma quantidade significativa de energia do capacitor de armazenamento; retorne gradualmente o nível de volume real ao volume definido pelo homem quando perceber que o capacitor de armazenamento está totalmente carregado. (De preferência, verifique se o banco de capacitores é grande o suficiente e o volume é reduzido rapidamente o suficiente para que a saída nunca seja cortada ou silenciada).

P: Posso deixar de fora o regulador [B] e alimentar o amplificador de áudio diretamente do capacitor de armazenamento?

A: Improvável. A tensão nesse capacitor de armazenamento provavelmente aumentará e diminuirá um fator 2 na operação normal. Isso está muito além da faixa de operação recomendada dos amplificadores de áudio típicos (a menos que eles já tenham um conversor DC-DC regulando sua potência), e nenhum amplificador de áudio pode rejeitar perfeitamente esse ruído da fonte de alimentação . Muitos reguladores DC-DC podem converter facilmente tensões tão variadas em algo dentro da faixa de operação recomendada de amplificadores de áudio típicos.

P: Existe um regulador de impulso que pode colocar mais de 200 mA em um capacitor de armazenamento já carregado com pelo menos 10 V, respeitando o limite de 500 mA USB?

R: Não. Eu ouvi rumores de que muitos dispositivos USB devem funcionar mesmo quando a tensão USB no dispositivo é de apenas 4,0 V. A 4,0 V, o limite de 500 mA (máximo) fornece uma potência máxima de 2 W. A 2 W (max) potência de entrada em um conversor de reforço que já carregou um capacitor de até 10 V, a corrente máxima fisicamente possível fora desse conversor de reforço é de 200 mA.

Embora possa haver no máximo 2 W no banco de capacitores de armazenamento, você provavelmente pode projetar esse banco de capacitores para fornecer facilmente 1000 mA a 12 V (12 W) durante breves transientes acústicos. (Você provavelmente desejará um banco de capacitores em paralelo para diminuir a ESR líquida ou usar capacitores com baixa ESR, ou ambos - mudanças rápidas na tensão de um capacitor de alta ESR fazem com que ele aqueça e falhe).

P: Existe alguma maneira de obter mais energia para o meu amplificador de áudio USB?

A: sim Você considerou

  • usando uma fonte de alimentação separada, semelhante aos hubs USB auto-alimentados?
  • usando energia da bateria?
  • usando 2 plugues USB, um para dados (e um pouco de energia) e outro para extrair mais energia do host ou de uma porta de energia USB?
  • De alguma forma, aproveite o limite de corrente mais alto de 1,5 A no USB 2.0 (algumas fontes dizem mais; erro de digitação?)
  • De alguma forma, aproveite o limite de corrente mais alto de 3,0 A no USB Type-C (?)

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ótimo post, mas você deve saber sobre o editor esquemático até agora
efox29
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