Manejo de corrientes transitorias en dispositivos alimentados por USB

Estoy trabajando en un diseño de altavoz alimentado por USB y podría usar algunas ideas o entradas de diseño de la comunidad.

La parte de datos es bastante simple: el USB alimenta un puente I2S que se comunica con un amplificador I2S. Sin embargo, el poder es más desafiante porque estoy tratando de manejar transitorios significativos en la carga respetando el límite USB de 500 mA.

Eso se traduce en un circuito de límite de corriente que limita a 500 - (suma de todos los otros chips de uso) mA en la entrada. Una gran capacitancia en la salida del límite de corriente está destinada a ser el búfer para manejar las corrientes transitorias. Esta capacitancia ligada a un convertidor de refuerzo que alimenta el amplificador debería hacer el truco, ¿verdad? No

El voltaje de entrada de un convertidor elevador afecta linealmente la corriente de salida, y con los voltajes de entrada más bajos, la corriente de salida está limitada a 200 mA en promedio para la mayoría de las partes que he visto hasta ahora. Hay una compensación que debe hacerse en qué tan bajo establece la oscilación de voltaje sobre la (s) tapa (s) del depósito frente a la corriente de salida del refuerzo.

El objetivo es entregar los 500 - (suma de otros chips) mA al amplificador en funcionamiento normal, y agregar hasta 1 amperio más con la ayuda de la tapa del depósito y el circuito de refuerzo durante los transitorios. Lo que me está costando entender es las piezas correctas y la capacidad adecuada para este diseño. También estoy dispuesto a comenzar la parte poderosa del diseño desde cero, dada una mejor solución.

Esperamos escuchar sus pensamientos sobre cuál sería una buena solución.

¿Has leído a Kollman y Betten, "Alimentando la electrónica desde el puerto USB" ?

Una gran capacitancia en la salida del límite de corriente está destinada a ser el búfer para manejar las corrientes transitorias. Esta capacitancia ligada a un convertidor de refuerzo que alimenta el amplificador debería hacer el truco, ¿verdad?

Eso suena bastante razonable:

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

dónde

• [A] es un convertidor de impulso de entrada-corriente-limitado,
• | D> | es el diodo de salida final típico de tales convertidores de impulso,
• [B] es otro regulador DC-DC (quizás un regulador de inversión),
• [E] es el amplificador de audio,
• [S] son ​​los altavoces de salida.
• [C1] es un condensador de almacenamiento intermedio con un voltaje muy variable,
• [C2] es un condensador de almacenamiento que B regula estrictamente a lo que E requiera.

¿Cuál es exactamente su pregunta? No estoy seguro, así que voy a hacer 3 conjeturas:

P: ¿Es posible enviar 5 W (pico) a los altavoces, respetando el límite USB de 500 mA?

A: si. Si bien las molestas leyes de la física nos impiden enviar un promedio a largo plazo de 5 W a los altavoces mientras respetamos el límite USB de 500 mA (que nos limita a tirar como máximo 500 mA * 5 V = 2.5 W en cualquier instante), la idea es razonable almacenar energía durante las secciones "silenciosas" de la música y luego descargar esa energía almacenada en los altavoces durante los transitorios fuertes. Tengo entendido que todos los amplificadores de audio alimentados por la red eléctrica que cumplen con la ley de factor de potencia EN61000-3-2 de la UE ya lo hacen: limitan la corriente que extraen de la toma de corriente de la red eléctrica para mantener el factor de potencia apropiado, y almacenar la energía en un banco de condensadores como [C1]. Durante los cruces por cero muchas veces por segundo, es imposible extraer energía de la toma de corriente.

Tarde o temprano, parece probable que algún usuario gire la perilla de volumen al máximo y luego intente reproducir música que le pida al amplificador que haga algo imposible: descargar continuamente 5 W de potencia en el altavoz. Conozco algunos diseñadores que no estarían de acuerdo sobre cómo el amplificador debería responder a una solicitud tan imposible:

• (a) Intente reproducir la música perfectamente al volumen establecido por el ser humano durante el mayor tiempo posible, hasta que el condensador de almacenamiento esté más o menos completamente agotado. Luego apague el amplificador de audio y permanezca en silencio hasta que el condensador de almacenamiento esté completamente recargado.
• (b) Intente reproducir la música perfectamente al volumen establecido por el ser humano durante el mayor tiempo posible; pero establezca el nivel de recorte proporcional a la cantidad de energía disponible en el condensador de almacenamiento (preferiblemente con recorte suave, también llamado compresión de ganancia ); Un discurso tan tranquilo seguido de ruidos muy breves siempre suena al volumen establecido por el ser humano, pero los sonidos fuertes que se prolongan durante un tiempo se distorsionan progresivamente.
• (c) Reproduzca la música perfectamente al volumen establecido por el ser humano siempre que el condensador de almacenamiento esté cerca de la carga completa; ajuste gradualmente el volumen real más silencioso cuando advierta que los ruidos fuertes han agotado una cantidad significativa de energía del condensador de almacenamiento; Regrese gradualmente el nivel de volumen real al volumen establecido por el ser humano cuando note que el condensador de almacenamiento está completamente cargado. (Preferiblemente, asegúrese de que el banco de condensadores sea lo suficientemente grande y que el volumen se reduzca lo suficientemente rápido como para que la salida nunca se recorte o se silencie).

P: ¿Puedo omitir el regulador [B] y alimentar el amplificador de audio directamente desde el condensador de almacenamiento?

A: poco probable. El voltaje en ese condensador de almacenamiento probablemente subirá y bajará un factor de 2 en operación normal. Eso está muy fuera del rango operativo recomendado de los amplificadores de audio típicos (a menos que ya tengan un convertidor DC-DC que regule su potencia), y ningún amplificador de audio puede rechazar perfectamente ese ruido de la fuente de alimentación . Muchos reguladores DC-DC pueden convertir fácilmente voltajes tan ampliamente variables en algo dentro del rango operativo recomendado de los amplificadores de audio típicos.

P: ¿Existe un regulador de refuerzo que pueda colocar más de 200 mA en un condensador de almacenamiento ya cargado a al menos 10 V, respetando el límite USB de 500 mA?

R: No. Escucho rumores de que se espera que muchos dispositivos USB funcionen incluso cuando el voltaje USB en el dispositivo es de solo 4.0 V. A 4.0 V, el límite de 500 mA (máx.) Proporciona una potencia máxima de 2 W. A 2 W (máx.) potencia de entrada en un convertidor de refuerzo que ya ha cargado un condensador de hasta 10 V, la corriente máxima físicamente posible de ese convertidor de refuerzo es de 200 mA.

Aunque puede haber un máximo de 2 W en el banco de condensadores de almacenamiento, probablemente pueda diseñar ese banco de condensadores para suministrar fácilmente 1000 mA a 12 V (12 W) durante breves transitorios acústicos. (Probablemente desee un banco de condensadores en paralelo para reducir la ESR neta, o usar condensadores de baja ESR, o ambos: los cambios rápidos de voltaje en un condensador de alta ESR hacen que se caliente y falle).

P: ¿Hay alguna forma de obtener más potencia para mi amplificador de audio USB?

A: si. Ha considerado

• utilizando una fuente de alimentación separada, similar a los concentradores USB autoalimentados?
• utilizando batería?
• usando 2 enchufes USB, uno para datos (y algo de energía) y otro enchufe solo para extraer más energía del host o un puerto de alimentación USB?
• De alguna manera, aproveche el límite de corriente más alto de 1.5 A en USB 2.0 (algunas fuentes dicen más; ¿error tipográfico?)
• Aproveche de alguna manera el límite de corriente más alto de 3.0 A en USB Tipo-C (?)