СЗУ с «компенсацией кабеля»

Опубликовал 1 Октябрь 2016 в рубрике Техника, Уголок Кулибина. Комментарии: 0

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÷3A), подключаемых к ПК через внешний USB-концентратор (хаб) и от него же питающихся (например, USB-lab).


 

Этот материал из цикла питание и заряд подготовлен и предоставлен автором Kargal.
Скачать PDF


 

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 (потребление до 0.5A) всё сходилось. 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 100 mV (при условии, что саму ЗУ достаточно мощное и его напряжение не просаживается).

Для тока 2A суммарное сопротивление линий питания кабеля не должно превышать 50 mΩ, что потребует для кабеля длиной в 1 метр сечение медных жил питания 0.7 mm2 (18AWG), на что производители кабелей ещё не решились. А если учесть переходное сопротивление контактов разъемов с обоих концов кабеля (типично по 25÷40 mΩ), то уже всё, тупик.
Но есть смягчающие обстоятельства:
● «Напряжение 4.9V и выше» на разъёме требуется при напряжении на самом аккумуляторе Uакк=4.25÷4.3V, что соответствует полностью (на 100%) заряженному аккумулятору. А контроллеры питания гаджетов при степени заряженности более 90% (Uакк=3.6÷3.7V) сами снижают потребляемый ток зарядки, независимо от того, каким кабелем подключено. Это обстоятельство позволяет достаточно эффективную зарядку аккумулятора (до 2A) с помощью кабеля с полным сопротивлением 350 mΩ – 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 окончанию 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.

Нагрузочные характеристики СЗУ с компенсацией потерь в кабелеNo name «3×USB Charger» (клон Coolsell A009-EU на 2.1А ???). 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 2.0A» (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).Сетевое зарядное устройство NSA12UE от Fu Yuan

1×USB СЗУ NSA12UE от Fu Yuan, 5V2A (for tolino??): Uхх=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 Ufb) ОС подаётся на вход FB преобразователя и преобразователь тщательно старается обеспечить равенство именно этого напряжения напряжению внутреннего опорного источника Uref. (При этом что творится реально на силовом выходе преобразователя его мало интересует).

Модификация нагрузочной характеристики СЗУ с помощью делителя.В простейшем случае используется резистивный делитель (Ru/Rb) и преобразователь вынужден поддерживать выходное напряжение Uout=(Uref/Rb)×(Ru+Rb) (если ток Ifb считается пренебрежимо малым). При этом токи через оба резистора делителя равны (Ib=Iu). Если Ifb имеет заметную величину, выходное напряжение прирастёт на ΔUout(+)=Ifb×Ru (для обеспечения протекания добавки Ifb через Ru).
Выходное напряжение можно корректировать, задавая дополнительными цепями ток Icorr в среднюю точку делителя. Если обеспечить «втекающий» (sorce) ток Icorr (-), выходное напряжение снизится на ΔUout (-)=Icorr (-)×Ru. Для постоянной (фиксированной) коррекции это обеспечивается шунтированием верхнего плеча делителя Ru резистором подходящего номинала. Совершенно аналогично можно повышать напряжение «вытекающим» (sink) током Icorr (+), шунтируя нижнее плечо делителя Rb

ΔUout (+)=Icorr (+)×Ru.

#) 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 Icorr 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 СЗУ«Мягкая» нагрузочная характеристика при которой выходное напряжение постоянно в диапазоне токов нагрузки 0÷Iout-nom (режим CV), а затем, начиная с Iout-nom снижается с ростом тока (режим CV+C) до практически нулевого при Iout-max (с заданной крутизной S). Значение Iout-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 Icorr (+), 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 Ifb (который «в первом акте висел на стене») зависит от тока нагрузки, пропорционален ему и изменяется типично в диапазоне 1÷7μA. При низкоомном Ru его влияние незаметно, но при увеличении Ru (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

Резистивный шунт в схеме СЗУВозможный 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:
Scomp=(Ru/Rb)×Rш-sens (V/A);

Для устойчивости величина Scomp должна быть порядка 80% от сопротивления компенсируемого кабеля. Для регулятора с Uref=2.5V (TL431) отношение Ru/Rb=~1 и величина Rш-sens практически должна быть равной сопротивлению кабеля, что заметно снижает общий КПД и повышает тепловыделение (1.8W при Iнагр=3A и Scomp=200mV/A).

Несколько лучше обстоят дела, если вместо TL431 использовать регулятор с Uref=1.25V (TLV431). В этом случае отношение Ru/Rb=~3.15 (например, 4k7/1k5) и величина Rш-sens должна быть равной только ~1/3 сопротивления кабеля. Тепловыделение – только 0.6W при Iнагр=3A и Scomp=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 Ucomp0 (при Iвых=0) точно равным Uref регулятора TL431. Это позволяет получить раздельную регулировку (подстройку) Uвых (вариацией Rb) и Scomp (вариацией Rcomp). Напряжение Uoffset, обеспечивающее это равенство, должно быть стабилизированным.

СЗУ. Схема резистивного шунта с усилителем.Регулятор TL431 допускает диапазон корректирующего напряжения Ucomp +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 Rш-sens=17mΩ, а отношения Rcomp/Ru=4.17 (для крутизны компенсации Scomp=200mV/A). Тепловыделение на шунте – 0.15W при нагрузке в 3A.

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).

linelosscompensation07_resistance_shunt_op_ampСовсем 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 Uoffset=2.5V, необходимое для обеспечния равенства Uвых(IC7) при нулевом токе напряжению Uref регулятора IC4.

Резистор Rcomp, задающий в данной схеме крутизну компенсации, разделен на две части – Rcomp1 и Rcomp2. Это необходимо для обеспечения возможности сужения полосы пропускания цепи обратной связи по току (установкой C-cor) с целью обеспечения устойчивости.

Крутизна компенсации определяется отношением:
Scomp=(Ru/(Rcomp1+Rcomp2))×Rш-sens×Кш (V/A);

При указанных номиналах R20÷R23 коэффициент усиления равен Кш=50 (=R23/R20=R22/R21) и при Rш-sens=20mΩ обеспечивается компенсация в диапазоне Iвых=0÷2.5A. Для расширения диапазона Кш надо уменьшать и наоборот.

Тепловыделение на шунте – 0.18W при нагрузке в 3A.

Для крутизны компенсации Scomp=200mV/A при Ru=1.2 kΩ потребуется:

Rcomp1+Rcomp2=6kΩ.

Приняв Rcomp2=1.3kΩ, Rcomp1=4.7kΩ и (если понадобится) C-cor=100μF, получим завал полосы с частоты Fсрез=~2Hz.

Датчик тока на основе эффекта Холла

Цоколёвка датчика Холла в корпусе TO92Оказывается, 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 ΔUh-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 Ssens(mV/G) зависит от его типа и является паспортным параметром (типично 1.25÷5 mV/G).
Типы выходных каскадов датчиков Холла.

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»).

linelosscompensation10_hall_sensor

Размещение датчика Холла в магнитопроводе.

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:

ΔUh_вых=Ssens(mV/G)×B (G)=Ssens(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 Ssens=3.1mV/G и размах сигнала ΔUh-вых- max=±2.3V, максимальное (контролируемое) поле в зазоре должно быть Bmax=ΔUh-max/Ssens=~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 ΔUh-вых-max=±1.5V и Ssens=1.8mV/G, при тех же условия х потребуется обмотка в 40 витков, Bmax=~833G (или 60 витков для тока 2A).

#) 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 3A.

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-х ампер и не перегревающееся при долговременном потреблении 2.5 ампера.

СЗУ YGY-053000 — внешний видВстроенный кабель (с маркировкой 20AWG) обрезан (по месту) до длины 0.75м 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÷180 mV/A).

Полная длина проводов питания 1.5м и такая просадка соответствует сечению проводов питания 0.2мм2, 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.

Плата СЗУ YGY-053000Преобразователь: 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:

Принципиальная схема СЗУ YGY-053000#) 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 Uref=2.5V, в корпусе SOT-23, но с «азиатской» цоколёвкой RCA (как у AZ431, SPX431L). Делитель ОС R12/R11 – 1k2/1k1 (Uрасч=5.22V).

Для подъёма Uout до 5.4V необходимо зашунтировать R11 резистором R11ш=16k7 (20k0 для Uout=5.38V, 23k0 для Uout=5.35V). Для питания гаджетов с контроллером зарядки OZ8555/o2micro необходимо напряжение 5.65±0.05V и требуется R11ш=7k5÷6k9.

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».

linelosscompensation15_ygy-053000_scheme

linelosscompensation16_ygy-053000_curves_of_loads

Нагрузочные характеристики СЗУ YGY-053000 до и после доработки

#) 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 R12ш.

#) 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/⌀5.2×3.25мм) с обмоткой 25вит ПЭВ 0.63 (датчик установлен вместо штатного дросселя выходного фильтра L2). Чувствительность собственно датчика получилась равной Ssens=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.

Цоколёвка датчика Холла SS49E/TO-92При 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 (Icorr (+)) 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 Uref(AZ431) и функции регулировки разделены – величина R15 влияет только на крутизну компенсации. В реализованной схеме (с приведенными номиналами) желаемая крутизна компенсации (Scomp=~+188mV/A) получена, но Uвых SS49E при нулевом токе равно всего ~2.2V (это поднимает общий уровень выходного напряжения на ~200mV, что и скомпенсировано резистором R12ш после достижения требуемой крутизны), а вариация R15 также еще приводит к его изменению.

Выходной каскад датчика Холла SS49EВыходной 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 Uвых(SS49E)=1.5V (ΔUh-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):

СЗУ YGY-053000 — дорабокаДля 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;

Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus




Оставить комментарий

Реклама

Контакты

Паблик Вконтакте:

http://vk.com/rones_su


Электропочта:

rones@ya.ru

(только для отправки файлов)


Мой новый сайт
Rones-Art.ru
Векторная графика