Manipulando correntes transitórias em dispositivos alimentados por USB

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 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 (?)