USB-инжекторы для ПК

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: для компьютера

Опубликовано: 07.06.2017 06:57

Просмотров: 6008

Владимир Рентюк, г. Запорожье
Нет сомнения, что USB-порты останутся основными портами персональных ЭВМ еще долго время. Их универсальность подчеркнута и в их названии (Universal Serial Bus - «универсальная последовательная шина»). Кроме хороших скоростных характеристик USB-порты, в отличие от остальных портов персональных ЭВМ, позволяют осуществлять питание, подключенных к ним устройств. Но именно здесь эта универсальная шина имеет досадное ограничение. Так, популярные USB 2.0 позволяют подключать периферийные устройства с потребляемым током не более 500 мА, и только USB 3.0 - до 900 мА. Выход из положения - это внешнее умощнение портов. Такие устройства необходимы в целом ряде случаев, например, для питания внешних накопителей на жестких дисках (HDD).

Их ток потребления лежит в пределах от 0.8 А до 1.2 А (а при пуске - еще больше), о чем продавцы часто умалчивают и от стандартного порта USB 2.0 они не работают.
Поэтому для своего функционирования они требуют подключения одновременно к двум портам (один полный - информационный + питание, второй - только питание), что уменьшает количество свободных USB-портов устройства (а их и так не хватает, особенно в ноутбуках). Часто это хорошо только в теории, так как в ряде случаев такое включение просто не работает, и персональный компьютер «зависает» [1]. Скорее всего, это происходит из-за невозможности одновременного подключения обоих разъемов и приводит к сбою первого из подключаемых портов. Более мощное питание от USB-портов требуется и для внешних устройств управления в автоматике и робототехнике при использовании одноплатных компьютеров. Как следствие, эта тема очень популярна. Самый простой вариант USB-инжектора, наиболее часто встречающийся в разных модификациях, показан на рис.1 [1].

В приведенной схеме учтены несколько важных моментов.
Во-первых, предусмотрена универсальная подача внешнего питания (допустима подача напряжение как постоянного, так и переменного тока), обеспечивающая и защиту от подключения внешнего источника питания в неправильной полярности (диодный мост D1-D4).
Во-вторых, имеется защита встроенного стабилизатора от разряда емкостей, имеющихся в цепях питания внешнего устройства (диод D5).
В-третьих, имеется принудительное отключение питания при выключении компьютера (ключ на Q2), он управляется по напряжению от основного USB-порта через транзистор Q1. Для удобства пользования имеется и индикатор включения инжектора (LED1).
Теперь посмотрим на схему критически. Во-первых, в схеме нет ограничения по выходному
току, он ограничен только внутренней защитой примененного стабилизатора, которая для входного напряжения при указанном входном напряжении равна 2.2 А. При использовании внешнего источника питания переменного тока на 9 В (понижающий трансформатор) после выпрямителя с емкостным фильтром, напряжение получается не менее 10 В, а может быть и более. Что мы имеем в этом случае? Даже при падении напряжения на стабилизаторе в 5 В, рассеиваемая на нем мощность при токе 1 А будет уже 5 Вт, а потребление внешнего HDD -1.2 А, как минимум. Это значительно превышает предельно допустимое, для этого типа ИМС, поэтому нужен радиатор (в конструкции [1] он отсутствует).
В противном случае будет иметь место частое отключение напряжения порта из-за срабатывания тепловой защиты ИМС. В этом случае, подключенное к такому инжектору устройство зависнет, потеряет несохраненные данные или, в самом худшем случае, выйдет из строя. А это, как правило, устройство дорогостоящее.
В схеме рис.1 мы имеем индикацию только активного состояния порта (светодиод включен перед выходным стабилизатором). В случае отказа стабилизатора (перегрузки по току или короткого замыкания) индикатор будет показывать, что все исправно.
Где же правильное решение? Разделим проблему на две: решение для USB-инжекторов для настольных (стационарных) персональных компьютеров и решение для ноутбуков.
USB-инжектор для стационарных ПК
Для настольных компьютеров и материнских плат, не имеющих портов USB 3.0, а это очень большой парк устройств, оптимальное решение следующее. Если внимательно посмотреть на кабель от системного блока питания AT или АТХ, то на кабеле есть свободные разъемы (распространенный вариант такого разъема показан на рис.2).

Они предназначены для подключения дополнительных устройств, например дополнительного винчестера (HDD). Как правило, не все эти разъемы используются. К разъему подведены два питающих напряжения +12 В (желтый провод), +5 В (красный провод) и два общих провода (черные проводники). Если такого разъема нет или он занят, то любой красный проводник блока питания ПК - это цепь +5 В, а черный проводник -это общий (GND), что нам, собственно говоря, и необходимо. Эта цепь имеет избыток по нагрузочной способности. Например, для блока питания типа Chieftec CTG-550-80P выход +5 В рассчитан на ток до 20 А. Таким образом, если взять от этой цепи даже 2.5 А, то это ни к каким плачевным последствиям для самого компьютера не приведет. В общей мощности даже у самого маломощного системного блока питания (300 Вт) это составит менее 5% (два усиленных до 1.4 А USB-порта) от общей мощности.

На рис.3 показан вариант умощнения USB-портов, который был предложен автором для управляющей ЭВМ на базе EPIA-ML 6000EA Mini-ITXMainboard (VIA Technologies Incorporated). Эта плата имеет четыре USB-порта. Два порта вынесены на переднюю панель платы и жестко соединены с ней, а два других находятся на внутреннем разъеме («USB 3/4»). Предложенный принцип может быть использован с любыми другими материнскими платами. В основу технического решения положено использование недорогих микросхем MAX1562HESA+ [2] компании Maxim («+» означает соответствие требованиям Директивы RoHS). Серия МАХ1562(3) - это малогабаритные USB-коммутаторы (корпус SO-8) с программируемым от 1 А до 4 А ограничением по выходному току, автоматическим сбросом и функцией гашения кратковременных ошибок. Последнее позволяет избежать выдачи ложных сигналов о сбое, если его длительность не превысила 20 мс. То есть она не реагирует на кратковременные события, например, вызванные «горячим» подключением емкостной нагрузки, предотвращая появление сигналов ложной тревоги. ИМС имеют функцию автоматического перезапуска, которая восстанавливает подачу питания после перегрузки или короткого замыкания. Сигнал о сбоях в работе формируется на выходе с открытым стоком (сигнала ошибки FAULT, ток до 10 мА), который выдает команду о перегреве, перегрузке, пониженном напряжении (UVLO protection) или коротком замыкании. Кроме того, ИМС этой серии имеют схему тепловой защиты.
Ограничение тока задается одним внешним резистором и обеспечивает защиту внешнего источника питания от перегрузок и короткого замыкания. Расчет проводится по формуле [2] (номинал резистора в омах, ток - в амперах):
   IUM = 17120/R3.
Номинал R3 должен быть в пределах между 4.22 кОм и 16 кОм. Для MAX1562HESA+ минимально значение R3 5.76 кОм, что соответствует току 3 А. Ограничение накладывается из-за максимально допустимой рассеиваемой мощности. Предел ограничения по току необходимо устанавливать на 20...30% выше, чем ожидаемый максимальный рабочий ток нагрузки. Предел для тока короткого замыкания устанавливается автоматически внутренними цепями ИМС как 1.3 от установленной величины тока ограничения. Для показанного на рис.3 устройства ограничение тока установлено на уровне 1.4 А. Индикатор HL1 будет светиться зеленым светом, если порт работает в активном режиме и должным образом, а красным - в случае аварии. Если порт не активен, то светодиод не светится. Индикатор целесообразно расположить рядом с разъемом порта. Преимущество использования такого ограничения по току позволяет, в отличие от обычных ключей, избежать неприятностей, которые могут
возникнуть в случае короткого замыкания мощной цепи +5 В системного блока питания.
Выбранный тип ИМС имеет активно-высокий логический уровень включения (определяется суффиксом «Н»). Другими словами, USB-порт «включен», если на контакте 1 разъема Х2 будет присутствовать напряжение +5 В. Это и используется для активации усиленного порта. Конденсатор С2 должен иметь номинал не более чем 470 мкФ, так как конденсатор большей емкости может привести к ошибке анализа состояния порта, так как установленный ток может не успеть зарядить его за 20 мс. Конденсаторы С1 и С2 требуются согласно спецификации [2]. В дополнение к ним, для устранения влияния высокочастотных помех, установлен дополнительный керамический конденсатор СЗ. Конденсаторы С1 и С2 должны быть установлены максимально близко к ИМС D1. Цепочка R5C4 служит для подавления помех, наводимых на оплетку кабеля, и защищает устройство от действия статического электричества в момент его подключения. Необходимо обратить внимание на правильный выбор типа разъема Х1. Я рекомендую для этого надежные разъемы типа Mini-Fit, TH или PWL. Тип разъема для усиленного USB-порта выбирают исходя из конкретных задач.
USB-инжектор для ноутбука
Теперь вернемся к ноутбукам. Вряд ли стоит рисковать, подключая что-либо к внутренним цепям питания таких компьютеров. Поэтому единственное решение, которое может быть предложено, - это использование внешнего источника питания. Таким источником может быть собственный блок питания ноутбука, если он имеет избыточную мощность. Здесь необходимо быть внимательным, так как блоки питания ноутбуков очень различаются по мощности. Они, в отличие от системных блоков питания стационарных персональных ЭВМ, большого запаса по мощности, как правило, не имеют. Например, блок питания ADP-90CD DB EXA0904YH для обычного ноутбука среднего класса ASUS K50IN 15,6" (потребляемая мощность при полной загрузке до 60 Вт) имеет мощность 90 Вт, что явно не очень избыточно. Тем не менее, если необходимо увеличить ток всего лишь одного USB-порта и не более чем до 1.2 А, то взять дополнительные 7...8 Вт от блока питания ноутбука, если он имеет хотя бы 30% запаса по мощности, можно. Почему 7...8 Вт, а не 6 Вт? Здесь необходимо учитывать потери при преобразовании напряжения блока питания в +5 В, необходимые для USB-порта.
Еще одна проблема - это аварийное отключение сетевого питания. Ноутбук при этом перейдет на питание от внутренней батареи, а вот внешний USB-инжектор будет обесточен, со всеми вытекающими последствиями для подключенного к нему оборудования. Можно использовать UPS, но это экономически нецелесообразно, либо использовать резервную батарею с собственным зарядным устройством. Можно пойти на компромисс - сделать только лишь защиту от кратковременных пропаданий сети. Как выход можно использовать подключаемую, при необходимости, внешнюю резервную батарею, например, NP-12-0.8 (необслуживаемый герметичный аккумулятор 12 В на 0.8 Ач, производства YUASA) и заряжать ее, при необходимости, от внешнего или встроенного зарядного устройства. Оставим это на усмотрение пользователя. В данной статье не ставилась задача раскрывать схемотехнику резервных источников питания.
В целом решение по повышению мощности USB-порта для ноутбуков заключается в использовании понижающего DC/DC-преобразователя на +5 В с ограничением тока. Вариант такой схемы показан на рис.4.

Питание инжектора осуществляется либо от штатного блока питания компьютера с напряжением 19...24 В (Х1), либо (при отключении питания в сети 230 В / 50 Гц) от резервной батареи 13.6 В (Х2). Питание на ноутбук подается от разъема ХЗ. Включение инжектора осуществляется через ключ VT1, который плавно
открывается с небольшой задержкой (необходимо для ограничения броска тока при заряде конденсатора СЗ). Включение осуществляется при наличии выходного напряжения +5 В основного USB-порта, которое подается на управляющий ключ (транзистор VT2). Конденсатор СЗ большой емкости обеспечивает защиту внешнего устройства, подключенного к умощненному USB-порту (Х5), от кратковременного пропадания напряжения в сети 230 В / 50 Гц в режиме эксплуатации без резервной батареи. В сумме с выходными конденсаторами блока питания это обеспечит стабильную работу устройства в течение 2...3 с. Диод VD1 препятствует разряду конденсатора по цепям питания компьютера. Диод VD2 обеспечивает переключение инжектора на питание от резервной батареи. Понижающий преобразователь выполнен на ИМС LM2675M-5.0 (КПД = 90%) [3]. Ее рабочий выходной ток равен 1 А (максимальный 1.4 А). При этом ток, потребляемый инжектором от блока питания с напряжением 19 В в рабочем режиме, не превысит 300 мА. Схема преобразователя рассчитана таким образом, что он обеспечивает устойчивую работу инжектора в диапазоне входных напряжений от 24 до 10 В. Реально преобразователь работоспособен при входном напряжении до 8 В, но это вызовет глубокий разряд батареи, что недопустимо. Поэтому резервная батарея должна иметь собственный индикатор напряжения. Состояние умощненного порта показывает двухцветный светодиод HL1. Отсутствие свечения указывает на то, что USB-порт не активен, зеленый цвет означает нормальную работу устройства, красный - аварию (перегрузка, короткое замыкание). Резистор R4 опционный, позволяет произвести точную настройку выходного напряжения преобразователя.
Детали
Диоды VD1, VD3 - это диоды Шотки с током не менее 3 A (VD3 с обратным на-пряжением не ниже 40 В), VD2 - любой диод на ток не менее 3 А.
Конденсаторы С1, С2, С5 - керамические типоразмера 0805. Конденсатор С4 - танталовый, его емкость лучше увеличить, включив два конденсатора номиналом 33 мкФ параллельно. Конденсатор СЗ - два конденсатора типа К50-29 или импортные.
Дроссель L1 - это дроссель с индуктивностью 68...100 мкГ с рабочим током не менее 1.7 А (можно SMD).
Все резисторы типоразмера 0805.
Транзисторы n-p-n VT2, VT3 могут быть любого типа, а транзистор VT2 с Uкэ. макс - не менее 40 В. Вместо VT1 могут быть использованы и более мощные р-канальные транзисторы с напряжением сток-исток не ниже 30 В. Особенности компоновки ИМС D1 на печатной плате детально описаны в [3]. В схеме можно использовать и иные ИМС понижающих DC/DC-преобразователей, например ADP1111 (Analog Devices Inc.), но с соответствующей корректировкой по сопряжению.
Для улучшения характеристик устройства, показанного на рис.4, можно использовать ИМС MAX1562HESA+, включенную по схеме, показан-
ной на рис.3. В этом случае элементы R5, R7, R8, VT3, R6, HL1 исключают. ИМС MAX1562HESA+ подключают параллельно конденсатору С4 (рис.4) преобразователя.
Примечание
В стандартных USB-кабелях принята следующая маркировка проводников:
1 контакт - красный (питание +5 В);
2 контакт - белый (-DATA);
3 контакт - зеленый (+DATA);
4 контакт - черный (общий, GND);
5 контакт - экран (Shield).
Ссылки:
1. Jim Rowe, USB Power Injector, Silicon Chip 18 October 2004. - http://www.siliconchip.com.au/ cms/A_102685/article.html.
2. MAX1562, MAX1562H, MAX1563 PROGRAMMABLE, 4A, USB, CURRENT-LIMITED SWITCHES WITH AUTORESET AND FAULT BLANKING. -HTTP://DATASHEETS. MAXIM-1C. COM/EN/DS/ MAX1562-MAX1563.PDF.
3. LM2675 SIMPLE SWITCHER Power Converter High Efficiency 1A Step-Down Voltage Regulator. -http://www.national.com/ds/LM/LM2675.pdf.
PA4'2017