Gestion des courants transitoires sur les appareils alimentés par USB

Je travaille sur une conception d'enceinte alimentée par USB et je pourrais utiliser des idées ou des idées de conception de la communauté.

La partie données est assez simple - USB alimente un pont I2S qui communique avec un amplificateur I2S. Cependant, la puissance est plus difficile car j'essaie de gérer des transitoires importants sur la charge tout en respectant la limite USB de 500 mA.

Cela se traduit à peu près par un circuit de limitation de courant qui limite à 500 - (somme de toutes les autres utilisations des puces) mA à l'entrée. Une grande capacité à la sortie de la limite de courant est censée être le tampon pour gérer les courants transitoires. Cette capacité liée à un convertisseur boost alimentant l'ampli devrait faire l'affaire, non? Nan.

La tension d'entrée d'un convertisseur élévateur affecte linéairement le courant de sortie, et aux tensions d'entrée les plus faibles, le courant de sortie est limité à 200 mA en moyenne pour la plupart des pièces que j'ai examinées jusqu'à présent. Il y a une compensation à faire dans la façon dont vous réglez le swing de tension sur le (s) bouchon (s) du réservoir par rapport au courant de sortie du boost.

L'objectif est de fournir les 500 - (somme des autres puces) mA à l'amplificateur en fonctionnement normal, et d'ajouter jusqu'à 1 ampère de plus à l'aide du bouchon du réservoir et du circuit de suralimentation pendant les transitoires. Ce que j'ai du mal à comprendre, ce sont les bonnes pièces et la bonne capacité pour cette conception. Je suis également prêt à recommencer la partie puissance de la conception à partir de zéro, étant donné une meilleure solution.

Au plaisir d'entendre vos réflexions sur ce que serait une bonne solution.

Avez-vous lu Kollman et Betten, "Powering electronics from the USB port" ?

Une grande capacité à la sortie de la limite de courant est censée être le tampon pour gérer les courants transitoires. Cette capacité liée à un convertisseur boost alimentant l'ampli devrait faire l'affaire, non?

Cela semble assez raisonnable:

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

où

• [A] est un convertisseur boost à courant d'entrée limité,
• | D> | est la diode de sortie finale typique de ces convertisseurs élévateurs,
• [B] est un autre régulateur DC-DC (peut-être un régulateur buck),
• [E] est l'amplificateur audio,
• [S] est les enceintes de sortie.
• [C1] est un condensateur de stockage intermédiaire avec une tension très variable,
• [C2] est un condensateur de stockage que B régule étroitement à tout ce dont E a besoin.

Quelle est exactement ta question? Je ne suis pas sûr, donc je vais faire 3 suppositions:

Q: Est-il possible d'envoyer 5 W (crête) aux enceintes, tout en respectant la limite USB 500 mA?

R: Oui. Alors que les lois embêtantes de la physique nous empêchent d'envoyer une moyenne à long terme de 5 W aux haut-parleurs tout en respectant la limite USB de 500 mA (ce qui nous limite à tirer au plus 500 mA * 5 V = 2,5 W à tout instant), l'idée Il est raisonnable de stocker de l'énergie pendant les sections "calmes" de la musique, puis de vider cette énergie stockée dans les haut-parleurs pendant les transitoires bruyants. Je crois comprendre que tous les amplificateurs audio alimentés sur secteur qui sont conformes à la loi EN61000-3-2 sur le facteur de puissance mandatée par l'UE le font déjà - ils limitent le courant qu'ils tirent de la prise murale secteur afin de maintenir le facteur de puissance approprié, et stocker l'énergie dans une batterie de condensateurs un peu comme [C1]. Pendant les passages à zéro plusieurs fois par seconde, il est impossible d'extraire le courant de la prise murale.

Tôt ou tard, il semble probable que certains utilisateurs tournent le bouton de volume à fond puis essaient de jouer de la musique qui demande à l'amplificateur de faire quelque chose d'impossible - de décharger en continu 5 W de puissance dans le haut-parleur. Je connais des concepteurs qui seraient en désaccord sur la façon dont l'amplificateur devrait répondre à une demande aussi impossible:

• (a) Essayez de jouer la musique parfaitement au volume réglé par l'homme aussi longtemps que possible, jusqu'à ce que le condensateur de stockage soit plus ou moins complètement vidé. Ensuite, éteignez l'amplificateur audio et restez silencieux jusqu'à ce que le condensateur de stockage soit complètement rechargé.
• (b) Essayez de jouer la musique parfaitement au volume réglé par l'homme aussi longtemps que possible; mais définissez le niveau d' écrêtage proportionnel à la quantité d'énergie disponible dans le condensateur de stockage (de préférence avec un écrêtage doux, également appelé compression de gain ); un discours si calme suivi de bruits très bruyants joue toujours au volume réglé par l'homme, mais les sons forts qui continuent pendant un certain temps deviennent progressivement plus déformés.
• (c) Jouez la musique parfaitement au volume réglé par l'homme tant que le condensateur de stockage est presque complètement chargé; ajustez progressivement le volume réel plus doucement lorsqu'il constate que les bruits forts ont drainé une quantité importante d'énergie du condensateur de stockage; ramenez progressivement le niveau de volume réel au volume défini par l'homme lorsqu'il constate que le condensateur de stockage est complètement chargé. (Assurez-vous de préférence que la batterie de condensateurs est suffisamment grande et que le volume est réduit suffisamment rapidement pour que la sortie ne soit jamais écrêtée ou désactivée).

Q: Puis-je laisser de côté le régulateur [B] et alimenter l'ampli audio directement à partir du condensateur de stockage?

R: Peu probable. La tension sur ce condensateur de stockage augmentera et diminuera probablement d'un facteur 2 en fonctionnement normal. C'est bien en dehors de la plage de fonctionnement recommandée des amplificateurs audio typiques (à moins qu'ils aient déjà un convertisseur DC-DC régulant leur puissance), et aucun amplificateur audio ne peut parfaitement rejeter un tel bruit d'alimentation . De nombreux régulateurs DC-DC peuvent facilement convertir des tensions aussi variables en quelque chose dans la plage de fonctionnement recommandée des amplificateurs audio typiques.

Q: Existe-t-il un régulateur de suralimentation qui peut fournir plus de 200 mA dans un condensateur de stockage déjà chargé à au moins 10 V, tout en respectant la limite USB de 500 mA?

R: Non. J'entends des rumeurs selon lesquelles de nombreux périphériques USB devraient fonctionner même lorsque la tension USB de l'appareil n'est que de 4,0 V. À 4,0 V, la limite de 500 mA (max) donne une puissance maximale de 2 W. À 2 W (max) puissance d'entrée dans un convertisseur élévateur qui a déjà chargé un condensateur jusqu'à 10 V, le courant physiquement maximal possible de ce convertisseur élévateur est de 200 mA.

Même s'il peut y avoir un maximum de 2 W dans la batterie de condensateurs de stockage, vous pouvez probablement concevoir cette batterie de condensateurs pour fournir facilement 1000 mA à 12 V (12 W) lors de brèves transitoires acoustiques. (Vous voudrez probablement une batterie de condensateurs en parallèle pour abaisser l'ESR net, ou utiliser des condensateurs à faible ESR, ou les deux - les changements rapides de tension sur un condensateur à haute ESR le font chauffer et échouer).

Q: Existe-t-il un moyen d'augmenter la puissance de mon amplificateur audio USB?

R: Oui. Avez-vous pensé

• en utilisant une alimentation secteur séparée, similaire aux concentrateurs USB auto-alimentés?
• en utilisant la batterie?
• en utilisant 2 prises USB, une pour les données (et un peu d'alimentation) et une autre prise juste pour tirer plus de puissance de l'hôte ou d'un port d'alimentation USB?
• Profitez en quelque sorte de la limite de courant supérieure de 1,5 A en USB 2.0 (certaines sources en disent plus; faute de frappe?)
• Profitez en quelque sorte de la limite de courant supérieure de 3,0 A en USB Type-C (?)