处理USB供电设备上的瞬态电流

我正在研究USB供电的扬声器设计，可能会使用一些想法或社区的设计意见。

数据部分非常简单-USB为与I2S放大器对话的I2S桥供电。但是，电源更具挑战性，因为我在遵守500mA USB限制的同时试图处理负载上的重大瞬变。

这几乎转化为电流限制电路，该电路将输入上的电流限制为500-（所有其他芯片使用量之和）mA。电流限制输出上的大电容意味着它是处理瞬态电流的缓冲器。这个与升压转换器相连的电容可以为放大器供电，对吗？不。

升压转换器的输入电压线性地影响输出电流，在迄今为止最低的输入电压下，到目前为止，我看过的大多数部件的平均输出电流均限制为200mA。在将油箱盖上的电压摆幅设置为多低时，需要对升压输出电流进行补偿。

目的是在正常操作中向放大器提供500-（其他芯片的总和）mA，并在瞬态期间借助储能器盖和升压电路再增加1安培。我正在努力弄清楚该设计的正确部件和正确电容。我也愿意提供一个更好的解决方案，从头开始设计的电源部分。

期待听到您对好的解决方案的想法。

usb speakers transient

— 滑板手
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您是否考虑过使用浪涌电流限制器？有点不同的应用程序-但它可能起作用。我认为您的峰值可能太快了。瞬变有多快？

— 布拉德

至少可以说，设计两倍于储能电容器提供的非瞬态电流电平（最大1安培v / s，最大500 mA的电流）将是一项挑战。您的设计可以处理多少尺寸？同样，大型电容器将需要进一步的仔细设计折衷，以使它们不会在初始充电瞬变时破坏USB电源线上存在的任何保护措施（或者破坏更为昂贵的东西）。

— Anindo Ghosh

@布拉德：我目前的设计是使用限流开关，它可以同时保护浪涌电流和过电流。过渡时间是一个有趣的话题。由于它是音频应用程序，因此可以说瞬变持续了数百毫秒，因为那是响亮的crash声或th声低音将其推高到平均水平以上的时间。在同一个声音片段中，我可以说瞬变处于数十微秒的水平，因为高于RMS的峰到峰水平是在信号的实际粒度上发生的，而整个信号则呈指数衰减。

— Skateboarder 2013年

@Anindo：尺寸是一个问题，所以我正在考虑使用最好的电介质，以获得最大的电容，以便从表面安装零件中吸出最大的电容。这三个尺寸都有很大的空间限制-不能有巨大的电解罐。= P浪涌电流限制和过流保护应防止电容损坏主机电路。很难弄清楚这种设计的魔术电容。太多了，你在伤害自己。太少了，工作没有完成。

— Skateboarder 2013年

因此，我一直在搞不清的一件事（在另一篇文章中）是创建一个电源井来为我需要的电源供电-显然在它和隔离的地面之间放置了一个大（对）电容器。然后，我使用电感器将此电源“井”连接到主电源，以限制电流尖峰。因此，电感器限制了电流尖峰，并且该电容为它提供了按需的“升压”。两者一起构成一个低通滤波器。不过，我不知道该如何“调整”它。

— Brad 2013年

您是否阅读过Kollman和Betten的 “通过USB端口为电子设备供电” ？

电流限制输出上的大电容意味着它是处理瞬态电流的缓冲器。这个与升压转换器相连的电容可以为放大器供电，对吗？

听起来很合理：

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

哪里

[A]是输入电流限制型升压转换器，
| D> | 是此类升压转换器典型的最终输出二极管，
[B]是另一个DC-DC稳压器（也许是降压稳压器），
[E]是音频放大器，
[S]是输出扬声器。
[C1]是电压变化很大的中间存储电容器，
[C2]是一个存储电容器，B严格调节到E的要求。

您到底是什么问题？我不确定，因此我将做出3个猜测：

问：在遵守500 mA USB限制的前提下，是否可以向扬声器发送5 W（峰值）？

答：可以。尽管讨厌的物理定律阻止我们向扬声器发送5 W的长期平均值，同时遵守500 mA USB限制（这限制了我们在任何瞬间最多只能拉至500 mA * 5 V = 2.5 W），在音乐的“安静”部分存储能量，然后在大声的瞬态过程中将存储的能量倾倒到扬声器中是合理的。我的理解是，所有符合欧盟规定的功率因数法EN61000-3-2的由市电供电的音频放大器都已经做到了-它们限制从市电壁装电源插座抽出的电流，以维持适当的功率因数，并且像[C1]一样将功率存储在一组电容器中。在每秒多次过零的过程中，不可能从墙上插座中提取任何功率。

迟早，似乎有些用户会一直将音量旋钮调到最高，然后尝试播放音乐，要求放大器做一些不可能的事情-持续向扬声器输出5 W的功率。我知道有些设计师会不同意放大器如何应对这种不可能的要求：

（a）尽可能长时间地以人为设定的音量完美播放音乐，直到存储电容器或多或少完全耗尽。然后关闭音频放大器并保持静音，直到存储电容器完全充电为止。
（b）尽可能长时间地以人为设定的音量完美播放音乐；但是将削波电平设置为与存储电容器中可用的能量成比例（最好采用软削波，也称为增益压缩）；因此，安静的语音和非常短暂的大声噪音总是会按照人为设定的音量播放，但是持续一段时间的大声声音会逐渐失真。
（c）只要存储电容器接近充满电，就可以以人为设定的音量完美播放音乐；当发现大声的噪音消耗了存储电容器的大量电能时，逐渐降低实际音量，以保持安静；当发现存储电容器已充满电时，逐渐将实际音量恢复为人体设定的音量。（最好确保电容器组足够大，并且音量下降得足够快，以使输出永远不会削波或静音）。

问：我可以省去调节器[B]，直接从存储电容器给音频放大器供电吗？

答：不太可能。在正常操作中，该存储电容器上的电压可能会升高和降低2倍。这远远超出了典型音频放大器的建议工作范围（除非它们已经具有调节其功率的DC-DC转换器），并且没有音频放大器能够完美地抑制这种电源噪声。许多DC-DC稳压器可以轻松地将如此宽泛的电压转换为典型音频放大器推荐工作范围内的电压。

问：是否有一个升压调节器，可以在已充电至至少10 V的存储电容器中放出200 mA以上的电流，同时遵守500 mA的USB限制？

答：否。有传言说，即使USB设备的USB电压仅为4.0 V，许多USB设备也可以正常工作。在4.0 V时，最大500 mA的限制提供2 W的最大功率。在2 W时（最大）输入到已经对电容器充电了10 V的升压转换器中的功率，从该升压转换器流出的最大物理电流为200 mA。

即使最大可能有2 W的电流流入存储电容器组，您也可以设计该电容器组，以便在短暂的声音瞬变期间轻松地在12 V（12 W）时提供1000 mA的电流。（您可能希望并联一组电容器以降低净ESR，或使用低ESR电容器，或同时使用这两种电容器-高ESR电容器上的电压快速变化会导致其发热并发生故障）。

问：是否可以通过某种方法为我的USB音频放大器获得更多功率？

答：是的。你有没有考虑过

使用独立的电源，类似于自供电的USB集线器？
用电池供电吗？
使用2个USB插头，一个用于数据（和一些电源），另一个用于从主机或USB电源端口获取更多电源？
以某种方式利用USB 2.0中1.5 A的更高电流限制（一些消息来源说得更多；错别字？）
以某种方式利用USB Type-C的3.0 A更高的电流限制（？）

— 大卫
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很棒的帖子，但您现在应该了解原理图编辑器

— efox29