Главная » Статьи о компьютерах » Блок питания с USB-разъемом

Блок питания с USB-разъемом

Сегодня не редкость встретить USB-устройство, питающееся от шины, которое потребляет более чем 500…900 мА. В то же время обычные USB-адаптеры, рассчитанные согласно требованием спецификации универсальной последовательной шины, в боль­шин­стве своем предлагают именно указанный диапазон. В чем особенности типовой схемотехники таких блоков питания и какие риски ожидают пользователей, превышающих нагрузочную спо­собность USB-шины?

Как он устроен?

USB-адаптер представляет собой импульсный блок питания с USB-разъемом, упакованный в легкий и компактный корпус-вилку, который удобно носить с собой и легко устанавливать в любую евророзетку. Архитектура таких устройств типична: входное пере­мен­ное напряжение 220 вольт и частотой 50 герц выпрямляется и преобразовывается в импульсное напряжение, частотой сотни килогерц, которое затем через понижающий трансформатор вы­прям­ля­ется диодами и сглаживается выходными конденсаторами.

Внешний вид USB-адаптера для зарядки гаджетов
Рис1
. Внешний вид USB-адаптера для зарядки гаджетов 

Главное отличие импульсной схемы от классического подхода в том, что крошечный импульсный трансформатор по массо­га­ба­рит­ным параметрам в разы меньше и легче обычного понижающего трансформатора. А высокая частота преобразования позволяет снизить емкость сглаживающих конденсаторов (чем выше частота, тем меньше длительность между импульсами), поэтому для под­держания­­ стабильного выходного напряжения можно использовать компактные компоненты.

Для работы схемы требуется два выпрямителя: в первичной и вторичной цепях. Управление выходным напряжением осу­щест­вля­ется за счет управления шириной импульсов (ШИМ), под контролем цепи отрицательной обратной связи. Рассмотрим одну из типичных реализаций USB-адаптера: блок питания ZH-6003, обеспечивающий на выходном разъеме USB-Af стандартное 5-вольтовое напряжение и силу тока в 500 мА.

Схема импульсного блока питания  ZH-6003 с разъемом USB-Af
Рис 2. Схема импульсного блока питания  ZH-6003 с разъемом USB-Af
 

Схемотехника в деталях

Входное напряжение сети переменного тока 220 вольт частотой 50 герц преобразуется в постоянное напряжение с помощью однополупериодного выпрямителя на диоде D1. Балластный резистор R1 ограничивает броски тока и выполняет функцию предохранителя. Конденсатор C5 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Модулятор на транзисторах Q1, Q2 генерирует импульсное напряжение в первичной обмотке силового трансформатора. Частота импульсов в зависимости от реализации источника питания и параметров трансформатора может составлять десятки-сотни килогерц. Первичная обмотка трансформатора обозначена (I), вторичная (III).

Дополнительная обмотка (II) и оптопара (светодиод PC1.2 во вторичной цепи и фототранзистор PC1.1 в первичной цепи), обеспечивают цепь отрицательной обратной связи для стабилизации выходного напряжения при изменениях входного напряжения питающей сети, а также изменениях тока нагрузки.

Печатная плата USB-адаптера ZH-6003 с установленными компонентами
Рис 3
. Печатная плата USB-адаптера ZH-6003 с установленными компонентами

Вторичная цепь содержит однополупериодный выпрямитель на диоде D7, а также сглаживающий конденсатор C7. Резистор R0 создает эквивалент нагрузки для обеспечения устойчивости регулятора на холостом ходу. Очевидно, реализация аналогичного регулятора с силовым трансформатором, работающим на частоте сети 50 герц, в сочетании с аналоговым интегральным стабилизатором, например 7805, существенно проиграет по размерам и весу, хотя и значительно проще схемотехнически.

Транзисторы Q1 и Q2 формируют импульсное напряжение для блока питания ZH-6003
Рис4
. Транзисторы Q1 и Q2 формируют импульсное напряжение для блока питания ZH-6003

Высокая частота преобразователя позволяет сделать компактными намоточные изделия (требуется меньше витков), а также снизить емкость сглаживающих конденсаторов, поскольку интервалы времени между импульсами, передающими энергию, уменьшаются, поэтому для поддержания напряжения требуется меньшая емкость.

Можно ли «выжать» из схемы 1 ампер?

Ограничение 500-800 mA для преобразователей данного типа вытекает из множества факторов:

  1. Параметры обмоток трансформатора, особенно их активное сопротивление, зависящее от толщины провода и использованного металла. Нагрев обмоток может привести к разрушению изоляции и межвитковому замыканию, либо перегоранию провода и обрыву. В первую очередь это касается вторичной обмотки, в которой напряжение ниже, но ток больше.
  2. Допустимый средний выпрямленный ток диода D7 в выпрямителе вторичной цепи. Если в коротком импульсе диод может выдерживать десятки ампер, то средний ток не должен превышать около 1A. Согласно таблице Maximum Ratings в Data Sheet 1N5819 Average Rectified Output Current=IO=1.0 A (…) Peak Forward Surge Current 8.3mS(…)=IFSM=25 A. При максимуме 1.0 A для среднего тока, обоснован запас (0.5 – 0.8 A).
  3. В целях компактности применены конденсаторы малой емкости, поэтому при большем токе возрастут пульсации выпрямленного напряжения. Конденсатор C7 будет при большем токе в большей степени разряжаться в перерывах между импульсами. Аналогичное утверждение применимо для первичной цепи. Конденсатор C5 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения сети (50 Hz). Скорость его разряда также зависит от потребляемого тока.
  4. В целях экономии, производитель применил однополупериодные выпрямители, как в первичной цепи (50 Hz) так и во вторичной, после импульсного трансформатора. Это означает, что передача энергии в нагрузку происходит только в положительных полупериодах, в отрицательных полупериодах запас энергии в накопительных конденсаторах не пополняется. Это приводит к увеличению уровня пульсаций, а также к большей зависимости уровня пульсаций от потребляемого тока, что также вынуждает ограничивать ток.
  5. Простой транзисторный модулятор (в отличие от интегральных ШИМ с многочисленными корректирующими цепочками), не может обеспечить стабильность выходного напряжения во всем диапазоне токов. Это означает, что, например, узаконив ток 0.9A мы возможно не повредим устройство, но получим при этом токе существенное «проседание» напряжения на выходе и увеличение уровня пульсаций.

Более существенное превышение потребляемого тока, может привести к разрушению блока питания с USB-разъемом. В первую очередь, в зоне риска трансформатор T1 и диод D7.

Разрушение USB-адаптера: как это выглядит?

В качестве иллюстрации того, что происходит с импульсным бло­ком питания в случае превышения допустимого уровня по­тре­б­ле­ния тока, выберем устройство 3A005H.

USB-адаптер 3A005H с заявкой на 1 ампер
Рис 5
. USB-адаптер 3A005H с заявкой на 1 ампер

Как видим, что-то пошло не так, и импульсный блок питания не справился со поставленной задачей — его печатная плата пол­но­стью выгорела.

Импульсный блок питания 3A005H вышел из строя
Рис 6
. Импульсный блок питания 3A005H вышел из строя

Рассмотрим поближе «погорельца». Его компоновка схожа во мно­гом с устройством USB-адаптера ZH-6003, нагрузочная способность которого вдвое скромнее, чем у 3A005H.

Печатные платы импульсного блока питания с разъемом USB
Рис 7
. Печатные платы импульсного блока питания
с USB-разъемом

Фактически, это он и есть, с той лишь разницей, что транзистор Q2 установлен не со стороны компонентов, а снизу, на стороне пайки. Это сделано в целях уменьшения размеров USB-адаптера.

Устройство и компоненты USB-адаптера 3A005H
Рис 8.
Устройство и компоненты USB-адаптера 3A005H

Сравнивая печатные платы рабочего USB-адаптера на 500 мА с вышедшим из строя импульсным блоком питания на 1 А можно сделать вывод, что использована одна и та же схема, и тот же типоразмер импульсного трансформатора.

Сравнение печатных плат USB-адаптеров
Рис 9
. Сравнение печатных плат USB-адаптеров


25.05.2017
Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru