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【心得】USB 電源處理 (上)鍵盤分析

樓主 咕嚕米 gloomywolf
前陣子看到長物志的鉛華


覺的這東西相當有趣,當然我覺的最棒的地方在於終於有間廠商願意在產品廣告中附上明確的證據(示波器圖)而且這玩意的外觀也做的相當有品味
貓窩工房也有出過類似的產品,不過各家開箱等等的沒人去開到電路部份(廢話幾千塊的東西難道說拆就拆)

身為一個小小的土砲派玩家,覺的有趣的東西就是要土砲一個來看看.
不過博大精深的中國成語告訴我們『沒有三兩三,別想上樑山』
所以我們得先有個三兩三,

1.原理:
電腦的USB電源一般都是切換式供應器來供電的,而切換開關在動作間會造成電壓的些微擺動,我們稱為高頻漣波.

而這個漣波有時候會造成使用USB電源的裝置工作電壓不穩定,一些USB喇叭跟耳機會有高頻噪音就是這樣來的

目前PC用的POWER切換頻率從20k-數百k不等,目前技術可以作到1MHZ,不過家用產品應該沒多少會用到這樣高頻的(粉貴)

這次就設定100kHZ的漣波頻率,擺幅0.2v,也就是電壓會在5.2-4.8之間跳動,這已經算是很嚴重的情況了一些設計簡單的隨身碟可能會燒掉,我拿電錶捅自己的電腦也不過就5.02上下而已

所謂的鍵盤分析指的是我們可以用一些基於spice的軟體來預先設計並且分析我們打算實做的電路,這樣可以提高開發的成功機率,省的不斷try&error

2.軟體:Pspice(原本要用TI的TINA,但TINA操作界面有複雜到)

3.實戰:
首先來看看長物志貼出來,一張很糊的內部構造

可以看到電容*5 4粒電阻 兩顆晶體跟兩根黑黑不知道啥鬼(這應該是插入式電感或磁珠)
貓窩的構造其實也差不多
官方開發時的板子


(#`皿´)喵的明明就差很多,然後鉛華為啥有兩顆晶體?

別急,其實他們都是基於LC濾波的東西,關於LC濾波是啥就請自行GOOGLE,字實在太多
貓窩的應該是CLC 長物志的可能是倒L,但已USB的用途跟特性來說,理論上比較好的設計應該是T型。另外鉛華的晶體是有趣的東西
LC濾波的截止頻率是:

而一些DAC會要求後端濾波的截止頻率至少要是工作頻率的一半。也就是我們的設計頻率應該至少在10kHZ以下,以對應20k-100k的切換速度
從上頭的算式我們可以看到,L跟C越大,截止頻率會越低但成本跟體積也會越高,另外C並不是越大越好,這牽扯到一些元件非理想和頻率阻抗下的問題

總之先畫電路吧
這是很單純的電容濾波,一些文章會說大電容並小電容,大電容濾低頻,小電容濾高頻
但在數十khz的環境中,這樣的結構還有沒有用?
綠色/橘色/紫色的探棒是視波的波型顏色


報告:完全沒用(`3´)
當然實際上還是會有一點用的,因為電容在不同頻率的阻值並不相同(不理想特性),在模擬中我們假設他十分理想,但我們仍可以看出純電容在高頻環境下效果並不好



1.換上LC濾波
這是一個T型濾波網路,先從0.1v的擺幅測試



差距十分明顯。這也是電感被稱為扼流圈的原因

若將電容調小,並且加大振幅呢?

2.clc 0.2v 這大抵是貓窩的結構

可以看到其實沒有多大差別,重點在於截止頻率,電容未必要大顆

3.lc配大電容 0.2v




4.T型 小電容 0.2v



三種配置看起沒多少差別。
但電感在高頻下會變成阻抗,而理想電壓元的內阻抗應該是0。而usb裝置吃電流並不多,也屬於低阻抗負載。低阻對低阻元件『理論上』使用T型濾波會較好,當然實際上可能根本沒差別

現在要來實驗截止頻率不對會出啥事
5.亂設的大小,截止頻率約50k,臨界值邊緣


可以看出明顯的差距。
橘線顯示濾波效果不佳,最後輸出的紫線也有擺盪

重點並不在容值跟電感大小,在於截止頻率

6.再來要來實驗對上非對稱波型(上頭用的都是sin波)會發生什麼事
用方波設定一個非對稱波型,這是實際上很有可能遇到的



可以看見輸出電壓掉下來了,掉到了4.82v左右,因為非對稱波型讓電感並沒有對稱的時間充能,用來對抗電壓的變動,整個電壓就往波型較長的時域方向掉

改變時域方向應該可以把電壓拉高,證明這個推測

7.不同的方波





可以看到電壓回到了4.9以上,這證明了我們的想法。
儘管這樣子的濾波構造對抗非對稱波型效果不太完美,但他仍然壓平了電壓的變動


結論
1.LC濾波是有效的。容值不需要大,頻率到了便可,但若像長物志那樣使用了小顆的插入式電感或是磁珠,那容值就必須拉高來補足截止頻率

2.如果你的電腦輸出電壓非常不對稱,這樣的產品有機會將輸出電位往下掉或是往上拉,但遇到這種極端環境機會很低,而且這些產品依舊能夠穩住電壓變化

3.這些產品的價格見仁見智。雖然材料成本應該只有零頭.....。

4.對於USB所傳輸的差動訊號,是有可能受到外界干擾甚至是電路版本身的阻抗導致訊號丟失,對此應該加上共模電感跟防靜電,貓窩的產品號稱用了四層板應該也是依照規格指示


5.長物志的電晶體,個人猜測或許是一個並聯穩壓結構,由兩顆晶體組成達靈頓對取代單一顆晶體

並聯穩壓可以消除負載變化造成的輸出電壓不穩定,缺點是他閒閒沒事空載時也會吃電
也可能是一個OVP過電壓保護,但有OVP的話那應該會寫在廣告內容當中才對

7.土砲電路設計中,預計用雙面板看能不能避掉EMI的問題,應該下星期可以完成,零件數非常少,俗話說的好,always simple


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