Umgang mit transienten Strömen auf USB-Geräten

Ich arbeite an einem USB-fähigen Lautsprecherdesign und könnte einige Gedanken oder Design-Eingaben aus der Community verwenden.

Der Datenteil ist ziemlich einfach - USB versorgt eine I2S-Brücke, die mit einem I2S-Verstärker kommuniziert. Die Leistung ist jedoch schwieriger, da ich versuche, signifikante Transienten unter Last zu handhaben, während ich die 500-mA-USB-Grenze einhalte.

Das entspricht so ziemlich einer Strombegrenzungsschaltung, die auf 500 - (Summe aller anderen Chips) mA am Eingang begrenzt ist. Eine große Kapazität am Ausgang der Strombegrenzung soll der Puffer sein, um Übergangsströme zu verarbeiten. Diese Kapazität, die an einen Aufwärtswandler gebunden ist, der den Verstärker mit Strom versorgt, sollte den Trick machen, oder? Nee.

Die Eingangsspannung eines Aufwärtswandlers wirkt sich linear auf den Ausgangsstrom aus, und bei den niedrigsten Eingangsspannungen ist der Ausgangsstrom für die meisten Teile, die ich bisher betrachtet habe, auf durchschnittlich 200 mA begrenzt. Es muss eine Kompensation vorgenommen werden, wie niedrig Sie den Spannungshub über dem / den Reservoirdeckel (en) gegenüber dem Ausgangsstrom des Boosts einstellen.

Ziel ist es, dem Verstärker im Normalbetrieb 500 - (Summe anderer Chips) mA zuzuführen und mit Hilfe des Reservoirdeckels und des Boost-Schaltkreises bei Transienten bis zu 1 Ampere zu addieren. Was ich nur schwer herausfinden kann, sind die richtigen Teile und die richtige Kapazität für dieses Design. Ich bin auch bereit, den Hauptteil des Designs bei einer besseren Lösung von vorne zu beginnen.

Ich freue mich darauf, Ihre Gedanken darüber zu hören, was eine gute Lösung wäre.

Haben Sie Kollman und Betten, "Stromversorgung der Elektronik über den USB-Anschluss" gelesen ?

Eine große Kapazität am Ausgang der Strombegrenzung soll der Puffer sein, um Übergangsströme zu verarbeiten. Diese Kapazität, die an einen Aufwärtswandler gebunden ist, der den Verstärker mit Strom versorgt, sollte den Trick machen, oder?

Das klingt ziemlich vernünftig:

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

wo

• [A] ist ein Eingangsstrom-begrenzter Aufwärtswandler,
• | D> | ist die endgültige Ausgangsdiode, die für solche Aufwärtswandler typisch ist,
• [B] ist ein weiterer DC-DC-Regler (möglicherweise ein Buck-Regler),
• [E] ist der Audioverstärker,
• [S] sind die Ausgangslautsprecher.
• [C1] ist ein Zwischenspeicherkondensator mit stark variierender Spannung.
• [C2] ist ein Speicherkondensator, den B genau auf das regelt, was E benötigt.

Was genau ist deine Frage? Ich bin mir nicht sicher, also werde ich drei Vermutungen anstellen:

F: Ist es möglich, 5 W (Peak) an die Lautsprecher zu senden, wobei die USB-Grenze von 500 mA eingehalten wird?

A: Ja. Während lästige Gesetze der Physik uns daran hindern, einen langfristigen Durchschnitt von 5 W an die Lautsprecher zu senden, während wir die 500-mA-USB-Grenze einhalten (die uns darauf beschränkt, zu jedem Zeitpunkt höchstens 500 mA * 5 V = 2,5 W zu ziehen), ist die Idee Es ist vernünftig, Energie während der "leisen" Musikabschnitte zu speichern und diese gespeicherte Energie dann bei lauten Transienten in die Lautsprecher zu leiten. Meines Wissens nach tun dies alle netzbetriebenen Audioverstärker, die dem EU-vorgeschriebenen Leistungsfaktorgesetz EN61000-3-2 entsprechen, bereits - sie begrenzen den Strom, den sie aus der Netzsteckdose ziehen, um den entsprechenden Leistungsfaktor aufrechtzuerhalten, und Speichern Sie die Leistung in einer Reihe von Kondensatoren, ähnlich wie [C1]. Während der Nulldurchgänge viele Male pro Sekunde ist es unmöglich, Strom aus der Wandsteckdose zu ziehen.

Früher oder später ist es wahrscheinlich, dass ein Benutzer den Lautstärkeregler ganz aufdreht und dann versucht, Musik abzuspielen, die den Verstärker auffordert, etwas Unmögliches zu tun - kontinuierlich 5 W Leistung in den Lautsprecher zu leiten. Ich kenne einige Designer, die sich nicht darüber einig sind, wie der Verstärker auf eine solch unmögliche Anfrage reagieren soll:

• (a) Versuchen Sie, die Musik so lange wie möglich perfekt mit der vom Menschen eingestellten Lautstärke abzuspielen, bis der Speicherkondensator mehr oder weniger vollständig entladen ist. Schalten Sie dann den Audioverstärker aus und schweigen Sie, bis der Speicherkondensator vollständig aufgeladen ist.
• (b) Versuchen Sie, die Musik so lange wie möglich perfekt mit der vom Menschen eingestellten Lautstärke abzuspielen. Stellen Sie den Clipping- Pegel jedoch proportional zur im Speicherkondensator verfügbaren Energiemenge ein (vorzugsweise mit weichem Clipping, auch als Verstärkungskomprimierung bezeichnet ). so leise Sprache, gefolgt von sehr kurzen lauten Geräuschen, spielen immer mit der vom Menschen eingestellten Lautstärke, aber laute Geräusche, die eine Weile andauern, werden zunehmend verzerrter.
• (c) Spielen Sie die Musik perfekt mit der vom Menschen eingestellten Lautstärke ab, solange der Speicherkondensator fast vollständig aufgeladen ist. Stellen Sie die tatsächliche Lautstärke allmählich leiser ein, wenn Sie feststellen, dass laute Geräusche dem Speicherkondensator eine erhebliche Menge an Energie entzogen haben. Stellen Sie den tatsächlichen Lautstärkepegel allmählich auf das vom Menschen eingestellte Volumen zurück, wenn festgestellt wird, dass der Speicherkondensator vollständig aufgeladen ist. (Stellen Sie vorzugsweise sicher, dass die Kondensatorbank groß genug ist und die Lautstärke schnell genug verringert wird, damit der Ausgang niemals abgeschnitten oder stummgeschaltet wird.)

F: Kann ich den Regler [B] weglassen und den Audioverstärker direkt über den Speicherkondensator mit Strom versorgen?

A: Unwahrscheinlich. Die Spannung an diesem Speicherkondensator steigt im normalen Betrieb wahrscheinlich um den Faktor 2 an. Dies liegt weit außerhalb des empfohlenen Betriebsbereichs typischer Audioverstärker (es sei denn, sie verfügen bereits über einen DC-DC-Wandler, der ihre Leistung regelt), und kein Audioverstärker kann ein solches Stromversorgungsrauschen perfekt unterdrücken . Viele DC-DC-Regler können solche stark variierenden Spannungen leicht in etwas umwandeln, das innerhalb des empfohlenen Betriebsbereichs typischer Audioverstärker liegt.

F: Gibt es einen Boost-Regler, der mehr als 200 mA in einen Speicherkondensator ausgeben kann, der bereits auf mindestens 10 V aufgeladen ist, wobei der USB-Grenzwert von 500 mA eingehalten wird?

A: Nein. Ich höre Gerüchte, dass viele USB-Geräte auch dann funktionieren sollen, wenn die USB-Spannung am Gerät nur 4,0 V beträgt. Bei 4,0 V ergibt die maximale Grenze von 500 mA eine maximale Leistung von 2 W. Bei 2 W. (max) Eingangsleistung in einen Aufwärtswandler, der bereits einen Kondensator auf 10 V aufgeladen hat, beträgt der maximal physikalisch mögliche Strom aus diesem Aufwärtswandler 200 mA.

Obwohl maximal 2 W in die Speicherkondensatorbank fließen können, können Sie diese Kondensatorbank wahrscheinlich so gestalten, dass sie während kurzer akustischer Transienten problemlos 1000 mA bei 12 V (12 W) liefert. (Sie möchten wahrscheinlich eine Reihe paralleler Kondensatoren, um den Netto-ESR zu senken, oder Kondensatoren mit niedrigem ESR oder beides verwenden - schnelle Spannungsänderungen an einem Kondensator mit hohem ESR führen dazu, dass er sich erwärmt und ausfällt.)

F: Gibt es eine Möglichkeit, meinen USB-Audioverstärker mit mehr Leistung zu versorgen?

A: Ja. Hast du darüber nachgedacht?

• Verwenden Sie ein separates Netzteil, ähnlich wie bei USB-Hubs mit eigener Stromversorgung?
• Batteriestrom verbrauchen?
• Verwenden Sie 2 USB-Stecker, einen für Daten (und etwas Strom) und einen anderen Stecker, um mehr Strom vom Host oder einem USB-Stromanschluss zu beziehen?
• Nutzen Sie irgendwie die höhere Strombegrenzung von 1,5 A in USB 2.0 (einige Quellen sagen mehr; Tippfehler?)
• Nutzen Sie irgendwie die höhere Strombegrenzung von 3,0 A in USB Typ C (?)