USB電源デバイスの過渡電流の処理

私はUSB搭載スピーカーの設計に取り組んでおり、コミュニティからのいくつかの考えや設計入力を使用できます。

データ部分は非常にシンプルです。USBは、I2Sアンプと通信するI2Sブリッジに電力を供給します。ただし、500mAのUSB制限を尊重しながら、負荷の大きな過渡を処理しようとしているため、電力はより困難です。

これは、入力で500-（他のすべてのチップ使用量の合計）mAに制限する電流制限回路に相当します。電流制限の出力の大きな静電容量は、過渡電流を処理するためのバッファとして使用されます。アンプに電力を供給するブーストコンバーターに接続されたこの静電容量は、トリックを実行するはずです。いいえ。

ブーストコンバーターの入力電圧は出力電流に線形に影響し、最低の入力電圧では、これまでに調べたほとんどのデバイスの出力電流は平均で200mAに制限されます。ブーストの出力電流に対するリザーバーキャップの電圧振幅をどれだけ低く設定するかについて、補正が行われます。

目標は、通常の動作で500-（他のチップの合計）mAをアンプに供給し、トランジェント時にリザーバーキャップとブースト回路を使用して、最大1アンペアを追加することです。私が理解するのに苦労しているのは、この設計に適した部品と適切な静電容量です。また、より良い解決策を考えて、設計の重要な部分を最初からやり直したいと思っています。

良い解決策が何であるかについてのあなたの考えを聞くのを楽しみにしています。

Kollman and Betten、「Powering electronics from the USB port」を読んだことがあります か？

電流制限の出力の大きな静電容量は、過渡電流を処理するためのバッファとして使用されます。アンプに電力を供給するブーストコンバーターに接続されたこの静電容量は、トリックを実行するはずです。

それはかなり合理的に聞こえます：

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

どこ

• [A]は入力電流制限のブーストコンバーターです。
• | D> | そのようなブーストコンバーターの典型的な最終出力ダイオードです、
• [B]は別のDC-DCレギュレーター（おそらく降圧レギュレーター）です。
• [E]はオーディオアンプです。
• [S]は出力スピーカーです。
• [C1]は、電圧が大きく変動する中間ストレージコンデンサです。
• [C2]は、Eが必要とするものにBが厳密に調整するストレージコンデンサです。

あなたの質問は正確には何ですか？わからないので、3つの推測を行います。

Q：500 mAのUSB制限を尊重しながら、5 W（ピーク）をスピーカーに送信することは可能ですか？

A：はい。厄介な物理法則により、500 mAのUSB制限（いつでも最大500 mA * 5 V = 2.5 Wにプルすることを制限する）を尊重しながら、5 Wの長期平均をスピーカーに送信することができませんが、アイデア音楽の「静かな」セクションの間にエネルギーを蓄積し、大音量のトランジェントの間にその蓄積されたエネルギーをスピーカーにダンプすることは合理的です。私の理解では、EU指令の力率法EN61000-3-2に準拠するすべての主電源オーディオアンプはすでにそれを行っています-適切な力率を維持するために、主電源コンセントから引き出す電流を制限します。 [C1]と同様に、コンデンサのバンクに電力を保存します。毎秒数回ゼロクロッシングが行われている間、壁のコンセントから電力を引き出すことは不可能です。

遅かれ早かれ、一部のユーザーがボリュームつまみを完全に上げて、アンプに何か不可能なことを要求する音楽を再生しようとする可能性があります-スピーカーに5 Wの電力を継続的に放出します。私は、アンプがそのような不可能な要求にどのように応答すべきかについて意見を異にするデザイナーを知っています。

• （a）蓄電コンデンサがほぼ完全に空になるまで、できるだけ長く人間が設定した音量で音楽を完全に再生するようにしてください。次に、オーディオアンプをシャットダウンし、ストレージコンデンサが完全に再充電されるまで静かにします。
• （b）できるだけ長く、人間が設定した音量で音楽を完全に再生するようにしてください。ただし、蓄積コンデンサで利用可能なエネルギー量に比例してクリッピングレベルを設定します（できればソフトクリッピングを使用し、ゲイン圧縮とも呼ばれます）。とても静かなスピーチとそれに続く非常に短い大きな音が常に人間が設定した音量で再生されますが、しばらく続く大きな音は次第に歪んでいきます。
• （c）蓄電コンデンサが完全に充電されている限り、人間が設定した音量で音楽を完全に再生します。大きなノイズがストレージコンデンサからかなりの量の電力を排出していることに気付いたら、実際の音量を徐々に静かに調整します。蓄電コンデンサが完全に充電されたことに気づいたら、実際の音量レベルを人間が設定した音量に徐々に戻します。（好ましくは、コンデンサーバンクが十分に大きく、出力がクリップされたり沈黙したりしないように、ボリュームが急速にランプダウンすることを確認してください）。

Q：レギュレータ[B]を省略して、ストレージコンデンサから直接オーディオアンプに電力を供給できますか？

A：そうではありません。そのストレージコンデンサの電圧は、通常の動作では2倍になる可能性があります。これは、通常のオーディオアンプの推奨動作範囲を十分に超えており（既にDC-DCコンバーターが電源を調整している場合を除く）、このような電源ノイズを完全に除去できるオーディオアンプはありません。多くのDC-DCレギュレータは、このように大きく変動する電圧を、一般的なオーディオアンプの推奨動作範囲内に容易に変換できます。

Q：500 mAのUSB制限を尊重しながら、少なくとも10 Vにすでに充電されているストレージコンデンサに200 mA以上を出力できるブーストレギュレーターはありますか？

A：いいえ。デバイスのUSB電圧が4.0 Vの場合でも、多くのUSBデバイスが動作すると予想されるという噂が聞こえます。4.0Vでは、500 mA（max）の制限により最大電力は2 Wになります。2Wでコンデンサを最大10 Vまで充電したブーストコンバーターへの（最大）入力電力、そのブーストコンバーターから物理的に可能な最大電流は200 mAです。

ストレージコンデンサーバンクには最大2 Wが流れますが、短い音響過渡時に12 V（12 W）で1000 mAを簡単に供給するようにそのコンデンサーバンクを設計できます。（おそらく、正味のESRを下げるために並列にコンデンサーのバンクが必要か、低ESRコンデンサー、またはその両方を使用する必要があります-高ESRコンデンサーの電圧の急激な変化により、コンデンサーが加熱して故障します）。

Q：USBオーディオアンプの電力を増やす方法はありますか？

A：はい。考えましたか

• セルフパワーUSBハブと同様に、別の主電源を使用していますか？
• バッテリー電源を使用していますか？
• 2つのUSBプラグを使用します。1つはデータ（および一部の電源）用で、もう1つはホストまたはUSB電源ポートからより多くの電力を引き出すためだけです。
• どういうわけか、USB 2.0の1.5 Aのより高い電流制限を利用します（一部の情報源は、より多くのことを言う;タイプミス？）
• どういうわけか、USB Type-Cで3.0 Aのより高い電流制限を利用します（？）