Обработка переходных токов на устройствах с питанием от USB

Я работаю над дизайном колонок с питанием от USB и могу использовать некоторые идеи или пожелания сообщества.

Часть данных довольно проста - USB обеспечивает мост I2S, который взаимодействует с усилителем I2S. Мощность, однако, более сложная, потому что я пытаюсь выдерживать значительные переходные процессы в нагрузке, соблюдая ограничение 500 мА USB.

Это в значительной степени соответствует схеме ограничения тока, которая ограничивает до 500 - (сумма всех других чипов) мА на входе. Большая емкость на выходе ограничения тока предназначена для того, чтобы служить буфером для обработки переходных токов. Эта емкость, связанная с повышающим преобразователем, питающим усилитель, должна помочь, не так ли? Нет.

Входное напряжение повышающего преобразователя линейно влияет на выходной ток, и при самых низких входных напряжениях выходной ток ограничен в среднем 200 мА для большинства деталей, которые я рассматривал до сих пор. Необходимо произвести компенсацию того, насколько низко вы установили колебание напряжения на крышке (колпачках) резервуара в зависимости от выходного тока наддува.

Цель состоит в том, чтобы подать 500 - (сумма других микросхем) мА усилителю при нормальной работе, и добавить еще 1 ампер с помощью крышки резервуара и цепи повышения во время переходных процессов. Что мне непросто выяснить, так это правильные детали и правильная емкость для этой конструкции. Я также готов начать с нуля мощную часть дизайна, получив лучшее решение.

Будем рады услышать ваши мысли о том, что будет хорошим решением.

Вы читали Коллмана и Беттена "Питание электроники от USB-порта" ?

Большая емкость на выходе ограничения тока предназначена для того, чтобы служить буфером для обработки переходных токов. Эта емкость, связанная с повышающим преобразователем, питающим усилитель, должна помочь, не так ли?

Это звучит довольно разумно:

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

где

• [A] - повышающий преобразователь с ограничением входного тока,
• | D> | является конечным выходным диодом, типичным для таких повышающих преобразователей,
• [B] - другой регулятор DC-DC (возможно, стабилизатор напряжения),
• [E] аудио усилитель,
• [S] - выходной динамик.
• [C1] - промежуточный накопительный конденсатор с сильно изменяющимся напряжением,
• [C2] - это накопительный конденсатор, который B жестко регулирует в соответствии с требованиями E.

Что именно ваш вопрос? Я не уверен, поэтому я собираюсь сделать 3 предположения:

В: Можно ли отправить 5 Вт (пиковая мощность) на динамики, соблюдая ограничение 500 мА USB?

A: Да. В то время как надоедливые законы физики не позволяют нам посылать в громкоговорители долгосрочное среднее значение 5 Вт при соблюдении предела USB 500 мА (что ограничивает нас напряжением не более 500 мА * 5 В = 2,5 Вт в любой момент), идея разумно хранить энергию во время «тихих» участков музыки и затем сбрасывать накопленную энергию в громкоговорители во время громких переходных процессов. Насколько я понимаю, все аудиоусилители с питанием от сети, которые соответствуют утвержденному ЕС закону о коэффициенте мощности EN61000-3-2, уже делают это - они ограничивают ток, который они потребляют от сетевой розетки, для поддержания соответствующего коэффициента мощности, и храните энергию в банке конденсаторов так же, как [C1]. Во время пересечения нуля много раз в секунду невозможно отключить питание от сетевой розетки.

Рано или поздно кажется вероятным, что какой-то пользователь полностью повернет ручку регулировки громкости, а затем попытается воспроизвести музыку, которая просит усилитель сделать что-то невозможное - непрерывно подавать 5 Вт мощности в динамик. Я знаю некоторых дизайнеров, которые не согласны с тем, как усилитель должен отвечать на такой невозможный запрос:

• (a) Постарайтесь как можно дольше воспроизводить музыку на громкости, установленной человеком, до тех пор, пока накопительный конденсатор не будет более или менее полностью разряжен. Затем выключите аудиоусилитель и сохраняйте молчание, пока накопительный конденсатор полностью не зарядится.
• б) стараться как можно дольше воспроизводить музыку на уровне громкости; но установите уровень ограничения пропорционально количеству энергии, доступной в накопительном конденсаторе (предпочтительно с мягким ограничением, также называемым сжатием усиления ); настолько тихая речь, за которой следуют очень короткие громкие звуки, всегда играют на громкости, установленной человеком, но громкие звуки, которые продолжаются некоторое время, становятся все более искаженными.
• c) идеально воспроизводить музыку на громкости, установленной человеком, если накопительный конденсатор почти полностью заряжен; постепенно настраивайте фактическую громкость тише, когда он замечает, что громкие шумы отводят значительную часть энергии от накопительного конденсатора; постепенно возвращайте фактический уровень громкости обратно к установленному человеком объему, когда он замечает, что накопительный конденсатор полностью заряжен. (Желательно убедиться, что конденсаторная батарея достаточно велика, а громкость достаточно быстро снижена, чтобы выход никогда не отключался и не заглушался).

В: Могу ли я отключить регулятор [B] и подключить аудио усилитель напрямую от накопительного конденсатора?

A: вряд ли. Напряжение на этом накопительном конденсаторе, вероятно, будет увеличиваться и уменьшаться в 2 раза при нормальной работе. Это далеко за пределами рекомендуемого рабочего диапазона типичных аудиоусилителей (если у них уже нет DC-DC преобразователя, регулирующего их мощность), и ни один аудиоусилитель не может полностью подавить такой шум источника питания . Многие регуляторы постоянного тока могут легко преобразовывать такие широко варьирующиеся напряжения во что-то в пределах рекомендованного рабочего диапазона типичных аудиоусилителей.

В: Существует ли повышающий регулятор, который может выдавать более 200 мА в накопительный конденсатор, уже заряженный как минимум до 10 В, при соблюдении предела USB 500 мА?

A: Нет. Я слышал слухи о том, что ожидается, что многие USB-устройства будут работать, даже если напряжение USB на устройстве составляет всего 4,0 В. При 4,0 В ограничение в 500 мА (макс.) Дает максимальную мощность 2 Вт. При 2 Вт. (макс.) входная мощность в повышающем преобразователе, который уже зарядил конденсатор до 10 В, максимальный физически возможный ток этого повышающего преобразователя составляет 200 мА.

Несмотря на то, что в батарею накопительных конденсаторов может входить максимум 2 Вт, вы, вероятно, можете спроектировать эту батарею конденсаторов так, чтобы они легко подавали 1000 мА при 12 В (12 Вт) во время коротких акустических переходных процессов. (Вы, вероятно, захотите, чтобы блок конденсаторов параллельно снижал чистое ESR, или использовал конденсаторы с низким ESR, или оба - быстрые изменения напряжения на конденсаторе с высоким ESR заставляли его нагреваться и выходить из строя).

Q: Есть ли какой-нибудь способ увеличить мощность моего аудиоусилителя USB?

A: Да. Рассматривали ли вы

• использовать отдельный источник питания, похожий на USB-концентраторы с автономным питанием?
• используя заряд батареи?
• используя 2 USB-разъема, один для передачи данных (и немного питания), а другой для того, чтобы получить больше энергии от хоста или порта питания USB?
• Каким-то образом воспользуйтесь более высоким пределом тока 1,5 А в USB 2.0 (некоторые источники говорят больше; опечатка?)
• Каким-то образом воспользуйтесь более высоким пределом тока 3,0 А в USB Type-C (?)