СЗУ с «компенсацией кабеля»

Опубликовал 1 Октябрь 2016 в рубрике Техника, Уголок Кулибина. Комментарии: 2

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 A), 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 0.5 A) 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 4.9 V и выше. А стандарт предполагает наличие на линиях питания напряжения 5.0 V, 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 2 A 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 4.9 V и выше» на разъёме требуется при напряжении на самом аккумуляторе Uакк=4.25÷4.3 V, что соответствует полностью (на 100%) заряженному аккумулятору. А контроллеры питания гаджетов при степени заряженности более 90% (Uакк=3.6÷3.7 V) сами снижают потребляемый ток зарядки, независимо от того, каким кабелем подключено. Это обстоятельство позволяет достаточно эффективную зарядку аккумулятора (до 2 A) 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÷5.3 V), 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 5.5 V) 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 «3.1 A». Шины питания всех разъёмов запараллелены, кодировка типа порта у всех одинаковая – «DCP ShortMode» (для изделий от Apple непригодна).
Декларируется 5V/3.1 A, реально 5.15 V (растёт с током ~250m V/A), но максимальный суммарный ток всего 1.1 A-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÷5.2 V (в холодном состоянии), максимальный ток – 2.2 A. 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


К записи 2 комментария

У меня СЗУ ETA-P11X с компенсацией кабеля. Причем компенсация осуществляется на первичной стороне. Датчиком тока является резистор включенный в цепь истока мосфета. Функция компенсации обеспечивается применением специализированного контроллера iW1691. Заряжаю планшет Samsung Galaxy Note 10.1 N8000. Изначально было Uвых=5.08В, Uдел=1.17В. При токе 0.5А на выходе кабеля было 4.75В. Зарядка шла медленно. Для увеличения напряжения на выходе кабеля, поднял Uвых зарядки до 5.5В. Что при том же токе увеличило напряжение на выходе кабеля до 5.15В. Наряжение на делителе от Uдел=1.35В на ХХ и до Uдел=1.21В при токе 0.5А. Возможно ли такое решение, применять для зарядки планшета? И примет ли контроллер планшета колебания Uдел? Схему прилагаю.

Трудно отвечать на вопрос, сформулированный в виде загадки ...

Попробую фрагментарно:

• Uвых-хх ЗУ до 5.5V — допустимо (не сгорит, но будет ли быстро заряжаться — неоднозначно, см: rones.su/techno/5v_gadget...nd_charging.html);

• iW1691-?? — «с компенсацией кабеля» работают только: iW1691-09 (2,5%), iW1691-04 и iW1691-08 (5%), iW1691-10 (8%).

• «от Uдел=1.35В на ХХ и до Uдел=1.21В» — должен ответить сам планшет (мне не известна требуемая ему кодировка порта, но скорее всего подойдет).



Оставить комментарий

Если нужно, добавьте к комментарию картинку (только JPEG)

Реклама

Контакты

Паблик Вконтакте:

http://vk.com/rones_su


Электропочта для платных консультаций

rones@ya.ru

и для обмена файлами


Мой новый сайт
Rones-Art.ru
Векторная графика