СЗУ с «компенсацией кабеля»

Статья из цикла питание и заряд. Автор — Kargal.
Скачать PDF

---

Модификация нагрузочной характеристики

Проблема «компенсации кабеля» возникает при необходимости питания или зарядки мощного 5-вольтового гаджета, требующего ток более одного ампера. Ещё серьезней она становится при реализации питания от СЗУ группы приборов (2…3 ампера), подключаемых к ПК через внешний USB-концентратор (хаб) и от него же питающихся (например, USB-lab).

Проблема порождена исторически оправданным стремлением использовать разъём обмена данными («USB») гаджетов для их питания, а затем переносом этого способа подключения в область USB-аппаратуры. Пока гаджеты были маломощными и довольствовались стандартным током 0.5A, проблем не было. Но с ростом их мощности реализация этой идеи стала наталкиваться на трудности.

Типично гаджеты с литиевыми аккумуляторами могут полноценно заряжаться только при наличии на их разъёме питания напряжения 4.9V и выше. А стандарт предполагает наличие на линиях питания напряжения 5.0V, чему «зарядные USB-устройства» (ЗУ) формально должны соответствовать. То есть, на потери в кабеле (падение напряжения на кабеле) остаётся всего 100mV. И то при условии, что саму ЗУ достаточно мощное и его напряжение не просаживается.

Для тока 2A суммарное сопротивление линий питания кабеля не должно превышать 50mΩ, что потребует для кабеля длиной в 1 метр сечение медных жил питания 0.7mm² (18AWG), на что производители кабелей пока не решились. А если учесть переходное сопротивление контактов разъемов с обоих концов кабеля (типично по 25…40mΩ), то уже всё, тупик.

Но есть смягчающие обстоятельства:
● «Напряжение 4.9V и выше» на разъёме требуется при напряжении на самом аккумуляторе U_акк=4.25…4.3V, что соответствует полностью (на 100%) заряженному аккумулятору. А контроллеры питания гаджетов при степени заряженности более 90% (U_акк=3.6…3.7V) сами снижают потребляемый ток зарядки, независимо от того, каким кабелем подключено. Это обстоятельство позволяет достаточно эффективную зарядку аккумулятора (до 2 ампер) с помощью кабеля с полным сопротивлением 350mΩ — метровый кабель 24AWG (метка «24AWG-2C»). Но не одновременно с работой гаджета.
● Реально многие производители, пренебрегая спецификацией USB, выпускают ЗУ с завышенным напряжением (5.2…5.3V), что, увеличивая «запас на кабель», смягчает проблему. Причём, иногда они даже декларируют это повышение.

Также можно самостоятельно «приподнять» напряжение в уже имеющемся ЗУ. Но в такой процедуре следует помнить об ограничениях — контроллеры заряда гаджетов имеют максимально допустимое рабочее входное напряжение (типично 5.5V) и «задирать» напряжение выше этого уровня небезопасно^#). (Напряжение на входе в гаджет при зарядке конечно же просядет до ещё приемлемого уровня, но по окончании зарядки восстановится до максимального уровня). И при питании группы приборов заметно нарушать USB-стандарт как-то неприлично.

#) В интернете встречаются заявления о том, что некоторые гаджеты при зарядке повышенным напряжением нагреваются больше при том же токе заряда. И объясняют это тем, что «большее входное напряжение увеличивает падение напряжения на контроллере зарядки». Нельзя распространить такое описание на все гаджеты — современные смартфоны имеют ШИМ-контроллеры зарядки, согласующие мощность, а не выполняющие роль балласта (при росте входного напряжения они снижают входной ток при неизменном токе в аккумулятор).

Оптимальным решением является ЗУ, в котором сигнал обратной связи стабилизатора напряжения берётся от точки подключения кабеля к гаджету (четырёхпроводное подключение для стабилизации напряжения непосредственно на разъёме гаджета). Но оно требует специальный кабель и пригодно, во избежание путаницы, только для одноканального ЗУ со встроенным в него (неотключаемым) кабелем.

Паллиативным и не абсолютно универсальным решением является «ЗУ с компенсацией кабеля», у которого выходное напряжение преобразователя зависит от потребляемого тока и повышается с его ростом, создавая «запас» для падения на кабеле. У такого метода также есть недостатки. Механизм компенсации формирует отрицательное выходное сопротивление ШИМ-преобразователя ЗУ, «коэффициент компенсации» — фиксированный и рассчитанный на определённое сопротивление кабеля. При использовании кабеля с бо́льшим сопротивлением снижается эффективность компенсации, а при кабеле с меньшим сопротивлением возникает автогенерация. Поэтому такое решение реально пригодно только для системы с фиксированной конфигурацией — например, для ЗУ со встроенным (неотключаемым) кабелем, на который коэффициент («крутизна») компенсации и настроен.

Готовые решения USB СЗУ

На рынке встречаются готовые СЗУ с квазикомпенсацией кабеля — механизм «компенсации» сопротивления кабеля первых двух испытанных СЗУ реализовался, похоже, самопроизвольно — выходное напряжение более однозначно связано не с током, а с температурой устройства (которая определяется током и довольно однозначно с ним связана). Но по жизни — немного помогает.

No name «3×USB Charger» (клон Coolsell A009-EU на 2.1 ампера???). Имеет три никак не обозначенных USB-порта, над (условно) верхним надпись «3.1A». Шины питания всех разъёмов запараллелены, кодировка типа порта у всех одинаковая — «DCP ShortMode» (для изделий от Apple непригодна).
Декларируется 5V/3.1A, реально 5.15V (растёт с током ~250mV/A), но максимальный суммарный ток всего 1.1A-max (КПД=74%/1.0A). Далее срывается в старт-стопный режим (период ~1 сек) с нулевой эффективностью. Нагрузочная характеристика приведена синим цветом ▲.

«3xUSB ETA-U9EWE СЗУ 2.0 A» (именно с тремя USB-разъёмами). Декларируется 5V/2.0A, реально Uхх=5.1…5.2V (в холодном состоянии), максимальный ток — 2.2A. Напряжение растёт с увеличением тока нагрузки ~100mV/A. Нагрузочная характеристика приведена коричневым цветом ▲.
Кодировка портов:
«for other» — DCP ShortMode, линии данных (D+, D−) закорочены и никуда не подключены;
«for GLAXY Tab» — Korean tablet charging mode, линии данных (D+, D−) закорочены, напряжение 1.12V;
«for iPad iPhone» — DCP Divider1 (он же Apple 1A), напряжения на (D−) 2.8V, на (D+) 2.0V.

1×USB «PSAI10R-050Q 2.0A» (PS3977U-1ACA ??) «With Line Loss compensation» — клон СЗУ от Dell Inc, номинируется 110-240VAC, Ø5.35V/2.0A; реально спокойно выдает до 2.1A. Имеет удобный пристёгивающийся (неспадающий) EC-адаптер (сетевую вилку). К сожалению, выходной USB-порт только один. Напряжение растёт с увеличением тока нагрузки ~100mV/A.
Нагрузочная характеристика приведена зелёным цветом ▲.
Кодировка порта — DCP Short Mode (для изделий от Apple непригодна).

1×USB СЗУ NSA12UE от Fu Yuan, 5V2A (for tolino??): U_хх=5.14V и подъём ~100mV/A в диапазоне от 1A до 2A. (Информация из деклараций продавцов, сам такое СЗУ не испытывал).

Методы модификации нагрузочной характеристики ЗУ

В любом ЗУ для гаджетов имеется ШИМ-преобразователь, стабилизирующий выходное напряжение с помощью обратной связи (ОС). Сигнал (напряжение U_fb) ОС подаётся на вход FB преобразователя и преобразователь тщательно старается обеспечить равенство именно этого напряжения напряжению внутреннего опорного источника U_ref. (При этом что творится реально на силовом выходе преобразователя его мало интересует).

В простейшем случае используется резистивный делитель ▼ (R_u/R_b) и преобразователь вынужден поддерживать выходное напряжение U_out=(U_ref/R_b)×(R_u+R_b) (если ток I_fb считается пренебрежимо малым). При этом токи через оба резистора делителя равны (I_b=I_u). Если I_fb имеет заметную величину, выходное напряжение прирастёт на ΔU_out(+)=I_fb×R_u (для обеспечения протекания добавки I_fb через R_u).

Выходное напряжение можно корректировать, задавая дополнительными цепями ток I_corr в среднюю точку делителя. Если обеспечить «втекающий» (sorce) ток I_corr(-), выходное напряжение снизится на ΔU_out(-)=I_corr(-)×R_u. Для постоянной (фиксированной) коррекции это обеспечивается шунтированием верхнего плеча делителя R_u резистором подходящего номинала. Совершенно аналогично можно повышать напряжение «вытекающим» (sink) током I_corr(+), шунтируя нижнее плечо делителя R_b —

ΔU_out(+)=I_corr(+)×R_u.

#) При повышении напряжения готовых СЗУ не следует увлекаться, резервы преобразователя обычно не позволяют безопасного повышения больше чем на 10%.

Коррекция может быть и не фиксированной. Например, в точку I_corr можно подавать регулируемый ток (ЦАП+резистор, потенциометр+резистор) и получается управляемый импульсный источник питания (ИИП).

Можно также изменять форму нагрузочной характеристики ИИП введением дополнительной обратной связи по току (для чего потребуется внедрение в схему датчика тока). Интерес представляют два варианта:

«Мягкая» нагрузочная характеристика при которой выходное напряжение постоянно в диапазоне токов нагрузки 0…I_out-nom (режим CV), а затем, начиная с I_out-nom снижается с ростом тока (режим CV+C) до практически нулевого при I_out-max (с заданной крутизной S).

Значение I_out-max должно быть меньше порога защиты по току используемого ШИМ-преобразователя. Это предотвратит срыв преобразователя при перегрузке в старт-стопный режим со всеми его прелестями (повышенный входной ток, низкая эффективность, увеличение уровня электро-магнитных наводок).

Кроме того, такая характеристика крайне полезна в ИИП, предназначенных для питания нагреваемой вольфрамовой нити (подогрев катода газонаполненных ламп источников света) — снижаются пусковые токи и риски перегорания накала.

На рисунке приведена полученная характеристика ИИП на основе StepDown-преобразователя A5975. В качестве датчика тока использован шунт 100mΩ (в [+]-шине питания) с усилителем напряжения шунта MAX4172 (имеющим токовый выход).

Нагрузочная характеристика «с компенсацией кабеля» для которой характерен некоторый подъём напряжения с ростом тока.
Для этого необходимо организовать ток I_corr(+), пропорциональный току нагрузки, для чего, в свою очередь, необходимо иметь датчик тока.

У интегральных ШИМ-преобразователей, со встроенным силовым элементом, информация о величине тока доступна внутренней схеме управления и используется для организации порога защиты по току. А в некоторых DC-DC StepDown-преобразователях заложена возможность использовать эту информацию для формирования характеристики. У этих микросхем^#)  входной ток I_fb (который «в первом акте висел на стене») зависит от тока нагрузки, пропорционален ему и изменяется типично в диапазоне 1…7μA. При низкоомном R_u его влияние незаметно, но при увеличении R_u (во вполне допустимых пределах) реализуется «компенсация кабеля» с крутизной до 200…300mV/A.

#) «Output Cable Resistance Compensation» реализовано в StepDown-преобразователях: AX3117 и AX305x/AXElite; ACT4523/Active-Semi; MP2492/MonoliticPower; PT1115/PowTech.

В общем случае обойтись без дополнительного датчика тока невозможно.

Варианты датчиков тока

Резистивный шунт

Возможный для СЗУ способ организации «компенсации кабеля» — введение обратной связи по току с помощью шунта (Rш-sens), простейший вариант низковольтной части схемы СЗУ представлен на рисунке ▼

Здесь глубина компенсации равна:
S_comp=(R_u/R_b)×R_ш-sens (V/A);

Для устойчивости величина S_comp должна быть порядка 80% от сопротивления компенсируемого кабеля. Для регулятора с U_ref=2.5V (TL431) отношение R_u/R_b=~1 и величина R_ш-sens практически должна быть равной сопротивлению кабеля, что заметно снижает общий КПД и повышает тепловыделение (1.8W при I_нагр=3A и S_comp=200mV/A).

Несколько лучше обстоят дела, если вместо TL431 использовать регулятор с U_ref=1.25V (TLV431). В этом случае отношение R_u/R_b=~3.15 (например, 4,7kΩ/1,5kΩ) и величина R_ш-sens должна быть равной только ~1/3 сопротивления кабеля. Тепловыделение — только 0.6W при I_нагр=3A и S_comp=200mV/A.

Резистивный шунт с усилителем

Следующим шагом усовершенствования СЗУ (особенно если необходимы большие токи нагрузки) является применение шунта с усилителем, что позволяет снизить мощность потерь в шунте. Основная идея — коррекция выходного напряжения током Icorr(+), пропорциональным току нагрузки Iвых.

#) Применение этого метода для модификации готового СЗУ встречается с трудностями размещения усилителя. Существующие «усилители» не пригодны для объёмного монтажа (ноги коротки), а внедриться в готовую печатную плату — непросто.

При реализации необходимо совместить диапазон выходного напряжения усилителя шунта с параметрами основного регулятора (TL431).

Очень полезно иметь напряжение усилителя шунта U_comp0 (при I_вых=0) точно равным U_ref регулятора TL431. Это позволяет получить раздельную регулировку (подстройку) U_вых (вариацией R_b) и S_comp (вариацией R_comp). Напряжение U_offset, обеспечивающее это равенство, должно быть стабилизированным.

Регулятор TL431 допускает диапазон корректирующего напряжения U_comp +2.5…0.0V (в этом плане TL431 более выгоден, чем TLV431) и хорошо бы его использовать полностью. Для этого необходимо, чтобы выходной каскад усилителя шунта мог работать от 0.0V (Output to [-]Rail).

Так же усилителю желательно иметь полный (Rail-to-Rail) диапазон синфазного входного напряжения, что позволяет устанавливать шунт в любую шину питания (усилители, имеющие только Input to [-]Rail, допускают шунт только в отрицательной шине).

Для этой цели прямо приспособлены усилители сигнала шунта AD8205 (G=50) и AD8210 (G=20) с буферированным выходом. Они позволяют включение шунта как в положительную, так и в отрицательную линии питания. Кроме того они имеют входы управления VREF1 и VREF2, позволяющие удобно задать (Uoffset) нулевой уровень выходного напряжения (при нулевом токе) для его согласования с Uref регулятора TL431. (Но они напрягают по доступности и цене — ~$2/шт даже в Китае).
Схема на AD8205 для диапазона «компенсации» 0…3A потребовала бы R_ш-sens=17mΩ, а отношения R_comp/R_u=4.17 (для крутизны компенсации S_comp=200mV/A). Тепловыделение на шунте — 0.15W при нагрузке в 3 ампера.

Обычные операционные усилители требуют дополнительной обвязки (R20…R23 на схеме ниже) для реализации схемы «с подавлением синфазной составляющей» и конечным и стабильным значением коэффициента передачи.

На рисунке ▼ представлен вариант схемы «компенсации кабеля» с использованием операционного усилителя, от которого требуется быть класса «Input/Output to [-]Rail» (например, подойдёт «половинка» широко используемого LM358).

Совсем хорош в этом месте операционный усилитель класса «Input/Output Rail-to-Rail» (RRIO) {Single OpAmp «RRIO»: MCP601, AD8605, OPA313, AD8541.}, применяя который шунт можно устанавливать как в отрицательную, так и в положительную выходную шину (последовательно с дросселем L2 или вместо него), соблюдя правильную полярность подключения.
Цепь R24-IC8 формирует стабильное напряжение U_offset=2.5V, необходимое для обеспечния равенства U_вых(IC7) при нулевом токе напряжению U_ref регулятора IC4.

Резистор R_comp, задающий в данной схеме крутизну компенсации, разделен на две части — R_comp1 и R_comp2. Это необходимо для обеспечения возможности сужения полосы пропускания цепи обратной связи по току (установкой C-cor) с целью обеспечения устойчивости.

Крутизна компенсации определяется отношением:
S_comp=(R_u/(R_comp1+R_comp2))×R_ш-sens×К_ш (V/A);

При указанных номиналах R20R23 коэффициент усиления равен К_ш=50 (=R23/R20=R22/R21) и при R_ш-sens=20mΩ обеспечивается компенсация в диапазоне I_вых=0…2.5A. Для расширения диапазона К_ш надо уменьшать и наоборот.

Тепловыделение на шунте — 0.18W при нагрузке в 3 ампера.

Для крутизны компенсации S_comp=200mV/A при R_u=1.2kΩ потребуется:

R_comp1+R_comp2=6kΩ.

Приняв R_comp2=1.3kΩ, R_comp1=4.7kΩ и (если понадобится) C_-cor=100μF, получим завал полосы с частоты F_срез=~2Hz.

Датчик тока на основе эффекта Холла

Оказывается, иногда применить и такую «экзотику» вполне реально. На рынке представлено довольно много типов линейных двуполярных датчиков Холла в корпусе TO92, от простеньких SS49E — по $1 за десяток (в Китае), до более солидных SS495A1 — по $4 за пяток.

Кроме элемента Холла они имеют встроенные усилители, заметно облегчающие стыковку с электроникой СЗУ. Типично они требуют питание 5V, выходное напряжение в отсутствии поля равно половине питания (Ratiometric Output) и это обстоятельство, в идеале, требует стабилизации напряжения питания датчика (5V LDO-regulator — HT7150A-1/Holtek; LP2950ACZ-5.0; LM2931-5.0).

Размах сигнала ΔU_h-вых=±1.5…±2.3V (в зависимости от типа) от исходного уровня (2.5V). Практически все датчики Холла в корпусе TO92 имеют стандартную толщину 1.56 mm и одинаковую цоколёвку. Типичный максимальный выходной ток — 1.5mA. Чувствительность датчика S_sens(mV/G) зависит от его типа и является паспортным параметром (типично 1.25…5 mV/G).
Выходные каскады датчиков бывают трех типов: «Source», «Sink» и «Source & Sink» ▼ (по способностям формирования выходного тока).

Соответственно, для обеспечения требуемого диапазона выходного сигнала датчики требуют подключения к выходу резистора смещения:
— для «Source» — pull-Down,
— для «Sink» — pull-Up.
Pull-Down резистор рекомендуется также для датчиков «Source & Sink».

Для контроля тока датчик Холла необходимо поместить в зазор (1.6мм) магнитопровода, который при μ>50, практически независимо от его размеров и конкретного значения магнитной проницаемости, формирует поле с индукцией B(G/A)=6.9×N(витк).

Соответственно, выходной сигнал датчика:

ΔU_{h_вых}=S_sens(mV/G)×B(G)=S_sens(mV/G)×6.9×N(витк)×I(A)

#) Для решаемой задачи пригодны (и удобны) порошковые тороидальные сердечники (кольца) типоразмеров T30…T37 (⌀8…10mm) из материалов -26 (он же К-26, бело/желтые) и -52 (он же К-52, салатно/голубые). Кольца T37-52 (DT37-52) в розницу встречаются у продавцов Вольтмастер, ЛЭПКОС. По случаю можно использовать дроссели на DT37-26 (30вит, ~30μH), применяющиеся в некоторых китайских АЗУ. Остаётся только найти твёрдые руки и пропилить паз магнитного зазора (DREMEL и отрезной абразивный диск).

Например, для датчика SS495A (типа «Source & Sink»), имеющего S_sens=3.1mV/G и размах сигнала ΔU_h-вых-max=±2.3V, максимальное (контролируемое) поле в зазоре должно быть B_max=ΔU_h-max/S_sens=~742G. При требовании ограничения диапазона контроля тока величиной 3A потребуется обмотка в 36 витков (для дапазона тока 2A — 54 витка).

А для датчика SS49E (типа «Source») , имеющего размах сигнала ΔU_h-вых-max=±1.5V и S_sens=1.8mV/G, при тех же условия х потребуется обмотка в 40 витков, Bmax=~833G (или 60 витков для тока 2 ампера).

#) Решаемая задача не требует высокой точности и стремление использовать полный диапазон датчика не очень актуально. Можно, снижая чувствительность, уменьшить количество витков обмотки, но при этом в схеме «компенсации кабеля» увеличится диапазон контролируемого тока, что не всегда приемлемо. Для предотвращения этого необходимо либо использовать Холл-сенсор большей чуствительности, либо в схеме создать дополнительный механизм ограничения диапазона. Во втором случае более удобны датчики типа «Source» — у них диапазон контролируемого тока легко уменьшается увеличением номинала уже имеющегося pull-Down-резистора (R16 в примере ниже).

Реально достижимо сопротивление обмотки дросселя датчика Холла порядка 15…40mΩ, что обеспечивает тепловыделение на шунте 0.14…0.36W при нагрузке в 3 ампера.

Ниже представлено решение, реализованное для практического применения.

Доработка СЗУ для USB-лаб (вариант для фиксированной конфигурации)

Задача возникла из необходимости обеспечить внешним питанием USB-хаб для организации USB-лаборатории. Предполагалось, что к хабу будут подключаться приборы не только требующие информационной связи с управляющим компьютером, но и получающие питание через разъём подключения. По беглой оценке устройство питания должно обеспечивать возможность потребления тока до 2…3A без снижения напряжения за пределы USB-спецификации (5.0±_0.25V).

За основу взято довольно мощное СЗУ YGY-053000 ▼ со встроенным кабелем, способное выдавать до 4 ампер и не перегревающееся при долговременном потреблении 2.5 ампера.

Встроенный кабель (с маркировкой 20AWG) обрезан (по месту) до длины 0.75 м с заменой штатного разъёма (DC Plug 2.5×0.7mm) на небходимый для хаба DC Plug 3.4×1.4mm.

Декларируется 5V/3.1A. Реально, исходное Uout=5.21V (соответствует параметрам делителя ОС) и под током 4.0A преобразователь проседает на 50mV, то есть его выходное сопротивление ~12mΩ.Напряжение на выходном разъёме кабеля при этом проседает на 700mV, то есть сопротивление кабеля (суммарное) ~170mΩ (просадка на кабеле ~160…180mV/A).

Полная длина проводов питания 1.5м и такая просадка соответствует сечению проводов питания 0.2 мм², или 24AWG (китайская неожиданность немножко «детского цвета», реальный 20AWG должен был бы обеспечить сопротивление ~50mΩ; хотя, возможно, сказалось переходное сопротивление разъемов кабеля и хаба).

Корпус склеен, пришлось распилить по шву (Дремель с мелкозубым стальным диском). Для склейки при сборке удобен, например, клей B7000.

 

Преобразователь: PWM+PFM, DIP8 с надписью STGL 12B48 Y-666. Работает на частоте: 70KHz/4A(Ton=3.6us, КПД ~78%), 52KHz/2A(Ton=3.3us), 30KHz/0.5A(Ton=2.2us).
В нагрузку легко выдает 22W. По логике преобразователь ближе всего к SD6832 от SilanMicroelectronics; но полностью функционал и цоколевка не совпадают. «Кастрированным» (без Iset и PFM) вариантом этой микросхемы, совпадающим по остальной цоколевке, является SA482P67K65.

Исходная (кроме разъёма кабеля) схема СЗУ YGY-053000 представлена на рисунке:

#) Некоторая некорректность схемы — делитель ОС (R12) подключен к точке [A] и сопротивление участка [A]…[B] входит в «сопротивление кабеля».

Впечатляют пара 5-амперных диодов SB540 в параллель, входной (L1) и выходной (L2) ВЧ-фильтры. К сожалению, нет радиатора для микросхемы преобразователя (хотя у некоторых «родственников» в таком же корпусе — встречаются).

Нуль-орган стабилизатора — аналог Shunt Regulator TL431 с U_ref=2.5V, в корпусе SOT-23, но с «азиатской» цоколёвкой RCA (как у AZ431, SPX431L). Делитель ОС R12/R11 — 1,2kΩ/1,1kΩ (U_расч=5.22V).

Для подъёма U_out до 5.4V необходимо зашунтировать R₁₁ резистором R_11ш=16,7 kΩ (20,0 kΩ для U_out=5.38V, 23,0 kΩ для U_out=5.35V). Для питания гаджетов с контроллером зарядки OZ8555/o2micro необходимо напряжение 5.65±0.05V и требуется R_11ш=7,5…6,9 kΩ.

В исходном состоянии СЗУ не соответствовало предъявленным требованиям из-за большого падения напряжения на кабеле. Нагрузочная характеристика в исходном состоянии представлена на рисунке коричневыми линиями, штриховой — на выходе преобразователя, сплошной — интегральная, на выходных разъёмах хаба (после соединительного кабеля и цепей хаба). Интегральная характеристика снижается с ростом тока (склон ~-235 mV/A) и USB-порту компьютера предстоит перехватывать на себя часть тока питания аппаратуры в точке 1.45A и 4.85V (отмечена ромбиком). Достижение — сомнительное.

После коррекции схемы (введение обратной связи по току с крутизной ~+185 mV/A) характеристика приняла более приглядный вид (~80%-ная компенсация). Интегральная (зелёная сплошная линия) не опускается ниже 5.0V в диапазоне до 4A (USB-порту компьютера не придётся участвовать в питании аппаратуры), а характеристика по выходу преобразователя (зелёная штриховая линия) заметно приподнимается, обеспечивая «запас для кабеля».

#) Из-за некоторой некорректности схемы компенсации выходное напряжение несколько повысилось относительно исходного (сиреневая штриховая линия  интегральной
характеристики)  и  пришлось  «скорректировать  эту  некорректность»  введением  шунтирующего резистора R_12ш.

#) Мечтайте осторожнее — при попытке достичь более глубокой, чем 80% компенсации, очень велик шанс возникновения автогенерации.

Реализованный метод компенсации принят исключительно из мелко-конъюнктурных соображений — легкодоступности компонентов и ограничений по месту размещения добавлений в имеющееся СЗУ (используются детали только с радиальными и аксиальными выводами, монтаж — навесной объёмный).

В качестве датчика тока используется HallSensor SS49E/TO-92 ▼ (1.8mV/G), заключённый в 1.6мм щель (пропил) в сердечнике DT37-52 (μ=75, ⌀9.5/⌀5.2×3.25 мм) с обмоткой 25вит ПЭВ 0.63 (датчик установлен вместо штатного дросселя выходного фильтра L2).

Чувствительность собственно датчика получилась равной S_sens=325 mV/A (индукция в зазоре ~180G/A). Для полной реализации чувствительности в данной схеме питание SS49E должно быть хорошо застабилизировано (LDO-стабилизатор на 5.0V: HT7150A/TO-92 или его аналоги). Питание напрямую, от «самоповышаемого» выходного напряжения снижает чувствительность до Ss_экв=~165mV/A, а применённая (по наличию под рукой) стабилитронная — снижает только на 10%, до Ss_экв=~300mV/A.

При правильной полярности подключения датчика тока (намёк приведен на рисунке схемы) появление тока приводит к смещению выходного напряжения SS49E вниз (в сторону -5V) и появлению соответствующего тока (I_corr(+)) через R15. Этот ток может пройти только через R12, что вынуждает преобразователь повысить выходное напряжение.

При питании SS49E, равном точно 5.0V, в отсутствии поля (тока) выходное напряжение SS49E равно напряжению 2.5V опоры U_ref(AZ431) и функции регулировки разделены — величина R₁₅ влияет только на крутизну компенсации. В реализованной схеме (с приведенными номиналами) желаемая крутизна компенсации (S_comp=~+188mV/A) получена, но U_вых SS49E при нулевом токе равно всего ~2.2V (это поднимает общий уровень выходного напряжения на ~200mV, что и скомпенсировано резистором R_12ш после достижения требуемой крутизны), а вариация R₁₅ также еще приводит к его изменению.

Выходной каскад SS49E — типа «Source» (открытый эмиттер верхнего NPN-транзистора) и сам не может «утягивать» нагрузку вниз, для этого необходим внешний pull-Down резистор «нагрузки» (в схеме R16).

Этим обстоятельством можно воспользоваться для регулировки диапазона «компенсации кабеля».

Возможность такой регулировки облегчает сопряжение желаемого диапазона компенсации с реально получившейся чувствительностью датчика тока.

При указанных номиналах «компенсация» производится до тока ~2.9A, при котором U_вых(SS49E)=1.5V (ΔU_h-вых= −0.7V) и не может опуститься ниже, так как определяется только делителем R15/R16. (Окончание диапазона «компенсации» заметно и по нагрузочной характеристике.) Увеличение номинала R16 приведет к снижению границы «компенсации» и наоборот.

Конденсатор C₁₆ служит для повышения устойчивости. Без него в районе 1.8…2.4A возникали колебания выходного напряжения с амплитудой ~60mV на частоте 1…2 KHz. (У меня реально стоит 560μF/6.3V).

Метаморфозы (этапы работ):

Для фиксации дополнительных компонентов использовался бескислотный силиконовый теплопроводящий герметик Kafuter K-5204K.

Ссылки

$4.99/1шт — http://www.banggood.com/ru/USUKEU-DC-5V-4A-AC-Adapter-Charger-Power-Supply-For-LED-Strip-Light-p-953473.html — Free Shipping to Russia — СЗУ «0540» 5V/4A, очень похожее на YGY-053000;

---