Menangani Arus Sementara pada Perangkat yang Didukung USB

Saya sedang mengerjakan desain speaker bertenaga USB dan dapat menggunakan beberapa pemikiran atau masukan desain dari komunitas.

Bagian data cukup sederhana - USB memberi daya pada jembatan I2S yang berbicara dengan amplifier I2S. Kekuatannya, bagaimanapun, lebih menantang karena saya mencoba menangani transien yang signifikan pada beban sambil menghormati batas USB 500mA.

Itu cukup banyak diterjemahkan ke rangkaian batas arus yang membatasi 500 - (jumlah semua penggunaan chip lainnya) mA pada input. Kapasitansi besar pada output dari batas saat ini dimaksudkan untuk menjadi penyangga untuk menangani arus transien. Kapasitansi ini terkait dengan konverter penambah daya amp harus melakukan trik, kan? Nggak.

Tegangan input konverter boost secara linear mempengaruhi arus keluaran, dan pada voltase input terendah, arus keluaran dibatasi rata-rata 200mA untuk sebagian besar bagian yang telah saya lihat sejauh ini. Ada kompensasi yang harus dilakukan dalam seberapa rendah Anda mengatur ayunan tegangan di atas tutup reservoir vs arus keluaran dari boost.

Tujuannya adalah untuk memberikan 500 - (jumlah chip lainnya) mA ke amplifier dalam operasi normal, dan menambahkan hingga 1 Ampere lebih banyak dengan bantuan tutup reservoir dan sirkuit penambah selama transien. Apa yang saya mengalami kesulitan mencari tahu adalah bagian yang tepat dan kapasitansi yang tepat untuk desain ini. Saya juga bersedia memulai bagian kekuatan desain dari awal dengan memberikan solusi yang lebih baik.

Berharap untuk mendengar pendapat Anda tentang solusi yang baik.

Sudahkah Anda membaca Kollman dan Betten, "Menghidupkan elektronik dari port USB" ?

Kapasitansi besar pada output dari batas saat ini dimaksudkan untuk menjadi penyangga untuk menangani arus transien. Kapasitansi ini terkait dengan konverter penambah daya amp harus melakukan trik, kan?

Kedengarannya cukup masuk akal:

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

dimana

• [A] adalah konverter boost input-saat-terbatas,
• | D> | adalah dioda keluaran akhir yang khas dari konverter boost seperti itu,
• [B] adalah regulator DC-DC lain (mungkin regulator uang),
• [E] adalah penguat audio,
• [S] adalah speaker output.
• [C1] adalah kapasitor penyimpanan perantara dengan tegangan yang sangat bervariasi,
• [C2] adalah kapasitor penyimpanan yang diatur B dengan ketat sesuai kebutuhan E.

Apa sebenarnya pertanyaan Anda? Saya tidak yakin, jadi saya akan membuat 3 tebakan:

T: Apakah mungkin mengirim 5 W (puncak) ke speaker, dengan tetap menghormati batas USB 500 mA?

A: Ya. Sementara hukum fisika yang buruk mencegah kita mengirimkan rata-rata jangka panjang 5 W ke pengeras suara sambil tetap menghormati batas USB 500 mA (yang membatasi kita untuk menarik paling banyak 500 mA * 5 V = 2,5 W kapan saja), gagasan itu menyimpan energi selama bagian "tenang" dari musik dan kemudian membuang energi yang disimpan ke speaker selama transien keras adalah masuk akal. Pemahaman saya adalah bahwa semua amplifier audio bertenaga listrik yang mematuhi undang-undang faktor daya yang diamanatkan Uni Eropa EN61000-3-2 sudah melakukan itu - mereka membatasi arus yang mereka tarik dari stopkontak di dinding untuk mempertahankan faktor daya yang sesuai, dan menyimpan daya di bank kapasitor seperti [C1]. Selama penyilangan nol berkali-kali per detik, tidak mungkin mengeluarkan daya apa pun dari stopkontak.

Cepat atau lambat, nampaknya sebagian pengguna akan memutar kenop volume sepenuhnya dan kemudian mencoba memutar musik yang meminta amplifier untuk melakukan sesuatu yang mustahil - untuk terus-menerus membuang daya 5 W ke speaker. Saya tahu beberapa desainer yang tidak setuju tentang bagaimana amplifier harus menanggapi permintaan yang mustahil:

• (A) Cobalah untuk memainkan musik dengan sempurna pada volume yang diatur manusia selama mungkin, sampai kapasitor penyimpanan lebih atau kurang sepenuhnya terkuras. Kemudian matikan amplifier audio dan tetap diam sampai kapasitor penyimpanan terisi penuh.
• (B) Cobalah untuk memainkan musik dengan sempurna pada volume yang diatur manusia selama mungkin; tetapi atur tingkat kliping sebanding dengan jumlah energi yang tersedia dalam kapasitor penyimpanan (lebih disukai dengan kliping lunak, juga disebut kompresi penguatan ); pidato yang begitu hening diikuti oleh suara keras yang sangat singkat selalu diputar pada volume yang diatur manusia, tetapi suara keras yang berlangsung untuk sementara waktu semakin terdistorsi.
• (c) Putar musik dengan sempurna sesuai volume yang diatur manusia selama kapasitor penyimpanan hampir penuh; secara bertahap sesuaikan volume sebenarnya yang lebih tenang ketika memperhatikan bahwa suara keras telah menguras sejumlah besar daya dari kapasitor penyimpanan; secara bertahap kembalikan tingkat volume aktual kembali ke volume yang diatur manusia ketika memperhatikan bahwa kapasitor penyimpanan terisi penuh. (Lebih disukai pastikan kapasitor bank cukup besar dan volumenya menurun cukup cepat sehingga output tidak pernah terpotong atau dibungkam).

T: Dapatkah saya meninggalkan regulator [B], dan menyalakan ampli audio langsung dari kapasitor penyimpanan?

A: Tidak mungkin. Tegangan pada kapasitor penyimpanan kemungkinan akan naik dan turun faktor 2 dalam operasi normal. Itu jauh di luar kisaran pengoperasian yang disarankan dari amplifier audio tipikal (kecuali mereka sudah memiliki konverter DC-DC yang mengatur daya mereka), dan tidak ada amplifier audio yang dapat dengan sempurna menolak kebisingan catu daya tersebut . Banyak regulator DC-DC dapat dengan mudah mengubah tegangan yang sangat bervariasi tersebut menjadi sesuatu di dalam kisaran pengoperasian yang disarankan dari amplifier audio tipikal.

T: Apakah ada regulator penambah yang dapat mengeluarkan lebih dari 200 mA ke dalam kapasitor penyimpanan yang sudah diisi daya minimal 10 V, dengan tetap menghormati batas USB 500 mA?

A: Tidak. Saya mendengar desas-desus bahwa banyak perangkat USB diharapkan bekerja walaupun tegangan USB pada perangkat hanya 4,0 V. Pada 4.0 V, batas 500 mA (maks) memberikan daya maksimum 2 W. Pada 2 W (maks) daya input ke konverter penambah yang telah mengisi kapasitor hingga 10 V, arus maksimum yang dimungkinkan secara fisik dari konverter penambah itu adalah 200 mA.

Meskipun mungkin ada maksimum 2 W masuk ke bank kapasitor penyimpanan, Anda mungkin dapat merancang bank kapasitor untuk dengan mudah memasok 1000 mA pada 12 V (12 W) selama transien akustik singkat. (Anda mungkin menginginkan bank kapasitor secara paralel untuk menurunkan ESR bersih, atau menggunakan kapasitor ESR rendah, atau keduanya - perubahan tegangan yang cepat pada kapasitor ESR tinggi menyebabkannya memanas dan gagal).

T: Apakah ada cara untuk mendapatkan lebih banyak daya untuk penguat audio USB saya?

A: Ya. Sudahkah Anda mempertimbangkan

• menggunakan catu daya listrik yang terpisah, mirip dengan hub USB mandiri?
• menggunakan daya baterai?
• menggunakan 2 colokan USB, satu untuk data (dan sebagian daya), dan colokan lainnya hanya untuk menarik lebih banyak daya dari host atau port daya USB?
• Entah bagaimana memanfaatkan batas arus 1.5 A yang lebih tinggi di USB 2.0 (beberapa sumber mengatakan lebih banyak; salah ketik?)
• Entah bagaimana, manfaatkan batas 3,0 A yang lebih tinggi di USB Type-C (?)