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Circuiteria di Potenza

La parte principale del saldatore è la parte di potenza.

USB PD

Lo standard USB PD e EPR permette potenze di uscita fino a 280W, il problema è che l'aumento di potenza viene ottenuto solamente con un aumento di tensione, mantenendo la corrente massima a 5A: Quindi per mantenere la potenza di ingresso al di sotto del rating dell'alimentatore è necessario mantenere la corrente al di sotto dei 5A, superare i 5A (o poco più) manderebbe l'alimentatore in protezione spengendolo. La maggior parte dei saldatori commerciali USB non hanno nessun tipo di filtraggio, invece usano diversi trucchi:

1. Punte non standard a 5Ohm, come il Sequre S99.
2. Switching molto veloce.
3. Limitano la tensione di ingresso per rimanere sotto al limite di corrente, limitando anche la potenza.
4. Se ne fregano il cazzo e sperano che l'alimentatore se ne freghi anch'esso.

Monitoring della Potenza di Uscita

Tocca leggere sia la tensione che la corrente, per la lettura della tensione basta un partitore resistivo: Mentre per la lettura della corrente conviene usare un monitor high-side, in modo da non disturbare la trensione di terra e quindi le misure della termocoppia. Questi amplificatori devono essere fatti apposta per sopportare la tensione a modo comune alta, pari alla tensione di alimentazione. Questo tipo di monitoring si può fare in diversi modi:

1. Con un amplificatore operazionale discreto, ma questo porta il numero di componenti ad almeno 5, contando condensatore di bypass e resistenza di uscita sono 7.
2. Con un integrato con uscita di corrente come lo ZXCT1109, che però ha una uscita in corrente che per essere letta correttamente dovrebbe essere bufferata.
3. Con un integrato con uscita in tensione come lo TPA191, in questo caso non serve resistenza di gain e basta attaccarlo al pin di ADC del micro.
4. Usar un integrato con uscita digitale come lo INA230 o l'INA226, che integra sia il monitoring di tensione che quello di corrente, però il costo è molto più alto.

Analisi costo/area:

• INA226: 0.61 EUR, solo area di un MSOP-10, non poca ma tutto in uno.
• TPA191 + 1k.1% + 10k.1% + Zener: 0.57 EUR, area 3x0603+SOD-323+SOT-23-6, leggermente maggiore ma migliore flessibilità sul piazzamento.

Per evitare di comprare altri componenti e aumentare inutilmente il costo dell'ordine è meglio usare il INA226 o il suo equivalente TPA626. Inoltre questi integrati permettono di impostare alert per la sovraccorrente o sovratensione.

Mosfet e Filtro Pi

Quello che importa è avere una corrente costante dal lato di ingresso, siccome la punta è un carico resistivo mi importa poco se riceve picchi di tensione e corrente. Per questo motivo il modo più semplice di smussare la corrente al lato di ingresso è di usare un filtro PI: La frequenza di taglio del filtro PI è la solita di un filtro LC:

f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{L\ 2C}}

Allora per ottenere il comportamento desiderato la frequenza di switching della punta deve essere almeno una decade sopra questo valore.

L=2.2\mu \text{H},\ C=44\mu \text{F} \\ f_0 = 11.4\text{kHz}

La frequenza di switching va anche valutata in base alle perdite di switching sul mosfet.

A differenza di altre soluzioni, un filtro di questo tipo è di bassissima complessità e non richiede un particolare controllo, l'importante è usare la giusta frequenza di switching e limitare la potenza alla punta per garantire che la corrente rimanga nel limite.

Scelta dell'Induttore

Le specifiche principali dell'induttore per questa applicazione sono:

• Dimensione, la scheda è in alcune sezioni di 10mm di larghezza, quindi sarebbe meglio tenersi sotto i 6x6mm.
• ESR (Equivalent Series Resistance), ci dice quanto dissiperà l'induttore, inversamente proporzionale a dimensione e all'induttanza.
• Corrente di saturazione, la corrente per la quale il core dell'induttore satura, superare questa corrente riduce l'induttanza effettiva e scalda il core.
• Corrente di riscaldamento, la corrente per cui l'induttore comincia a scaldarsi sopra una certa temperatura se l'aria è a 25 gradi, ci dice la resistenza termica del package.

Alcuni induttori considerati, in bold quelli buoni:

MODELLO	VALORE	DCR	PACKAGE
XAL6060-103MEC	10u	27m	6.6x6.4
XRFWHP0660A-100M	10u	30m	6.6x6.4
AAPS0660M100F	10u	30m	6.6x6.4
XRFWHP0660A-4R7M	4.7u	15m	6.6x6.4
APH0660C-4R7M-TCD5	4.7u	15m	6.6x6.4
AAPS0660M4R7F	4.7u	15m	6.6x6.4
APS0660M4R7F	4.7u	15m	6.6x6.4
FC-ALX 4030D-2R2MT	2.2u	11m	4.2x4.2
MTQH404030S2R2MBT	2.2u	23m	4.2x4.2
PSTMAA4030-2R2MG	2.2u	22m	4.2x4.2
XRIM404030S2R2MGCA	2.2u	19m	4.2x4.2
FC-ALX 5030D-3R3MT	3.3u	17m	5.3x5.1
FC-ALX 5030D-2R2MT	2.2u	12m	5.3x5.1

Scelta dei Condensatori

Corrente di Inrush

MOSFET e Driver

Altre Soluzioni

Altri Saldatori

È comodo confrontare altri saldatori USB-C e vedere come funzionano.

Pinecil V2

Link alla wiki, schema elettrico.

Alientek T80P

Teardown, issue di IronOS con foto e lista componenti.

Miniware TS21

Teardown, issue di IronOS con componenti.

Sequre S60P

Teardown e dettagli dei componenti, discusione su IronOS.