EO

USB opladers

25 februari 2021 om 09:59 uur

Figuur 1: Typische Flyback converter topologie die veel wordt toegepast in USB opladers.

Iedereen kent het wel, dagelijks op zoek zijn naar een USB oplaadpunt voor de telefoon. Velen hebben daarom ook gewoon meerdere USB laders door het huis slingeren, en wie geen verzameling heeft aangelegd door het jaarlijkse of 2 jaarlijkse vernieuwen van het telefoon abonnement koopt er wel een paar via de bekende goedkopere wegen. In deze blog zijn verschillende usb opladers doorgemeten en bespreken we de zogenaamde kwaliteit van de 5V USB uitgang door een vergelijking te maken tussen verschillende USB poorten.

 

Door: Niek Moonen en Tom Hartman, Universiteit Twente


Een van de meest voorkomende topologie bij het ontwerpen van een USB oplader is de zogenaamde "Flyback converter" zoals die weergeven is in Figuur 1. Deze heeft namelijk als voordeel dat een grote stap in spanningsniveau mogelijk is door middel van het gebruik van een transformator. Klassieke omvormers zonder schakelende onderdelen gebruikten ook al een transformator, nadelig was echter de fysieke grootte hiervan omdat deze gebruik maakte van het 50 Hz AC component. De Flyback schakelt echter op veel hogere frequenties waardoor een vergelijkbare (m.b.t. spanningsverschil) transformator een stuk kleiner en lichter kan zijn.

USB opladersFiguur 2: EMI Test setup zoals bijv. in de ETSI EN 301 488-1 gespecificeerd wordt.


Zoals de meeste apparatuur moeten USB opladers ook aan standaarden voldoen, in dit geval de ETSI standard "ETSI EN 301 488-34". Hierin wordt onder andere gesteld dat de 5V uitgang getest moet worden onder meerdere operationele condities:
- Geen belasting
- 10% van de maximale belasting
- 100% van de maximale belasting
- 'The worst case'


De officiële testmethode is gespecificeerd in ETSI EN 301-489-1, waarbij ook een "Artificial Mains Network" (AMN) gebruikt wordt en de verstoring vanaf 150 kHz tot en met 30 MHz gelimiteerd wordt Figuur 2. Het doel hierbij is om storingen vanuit het lichtnet te ontkoppelen van diegene die voortvloeien vanuit de USB lader. De resultaten die later in deze blog gepresenteerd worden zijn ter indicatie en moeten niet gezien worden als een test die moet bepalen of de opladers wel of niet aan de standaard voldoen. In Figuur 3 is te zien dat we hier te maken hebben met een gesimplificeerde thuis meetopstelling, waar geen gebruik is gemaakt van een isolatie tranformator en ook geen AMN.

USB opladersFiguur 3: Thuis meetopstelling gebruikmakende van een standard multimeter ter controle, een breakout box en een usb-oscilloscoop


De intentie hier is om te belichten of iedere USB oplader eenzelfde uitgangssignaal heeft, want immers een usb poort is toch gewoon hetzelfde als iedere andere usb poort?

 

 

 

USB opladersFiguur 4: Schets van de thuis meetopstelling.


De breakout box is niks anders dan een doosje waar een aantal meetpunten aan zijn toegevoegd om het meten van apparatuur gemakkelijk en veilig te maken [1]. Oorspronkelijk gecreëerd voor gebruik in een 230V netwerk, maar het leent zich uitstekend voor een situatie als deze.

USB opladersFiguur 5: Een vereenvoudigde weergave van de breakout box, waar alleen het DM gefilterde pad (onderste) gebruikt wordt.


De filterwerking zoals deze in het blokschema is gezet, is een hoog doorlaat filter. Deze heeft een kantelfrequentie van 2 kHz. Tot ongeveer 1 MHz blijft dit filter alles ongehinderd doorlaten, maar hierboven gaan parasieten het gedrag domineren. Vandaar dat de resultaten alleen in dit gebied zijn weergegeven, van 1 kHz tot en met 1 MHz.


Vier verschillende USB opladers zijn in deze test doorgemeten met 2 verschillende belasting scenario's. De onbelaste variant en tijdens het voeden van een commercieel verkrijgbare bluetooth ontvanger. Om te zien waar de resultaten nog significant zijn om te vergelijken is er eerst in Figuur 6 (onderaan het artikel) een achtergrond ruis meting uitgevoerd. Na het vergelijken van de resultaten kan al snel geconcludeerd worden dat boven de 100 kHz de resultaten vaak al niet te vergelijken zijn. Ze zijn vaak te klein en te sterk afhankelijk van de storingen op het net en kunnen daardoor niet herleid worden tot de opladers.

 

 In Figuur 7 tot en met Figuur 10 (onderaan het artikel) zijn de resultaten te zien van de onbelaste test. Voor het gemak in de vergelijking zijn beiden assen van de grafiek gelijk gehouden. Waar de x-as dus een logaritmische frequentie aangeeft van 1 kHz tot en met 1 MHz, en de y-as een storingsniveau in dBV. Let wel, deze zijn dus niet direct te vergelijking met de limieten zoals deze in de standaarden zijn gedefinieerd. Wat direct opvalt is het grote verschil in de aanwezige frequentie componenten. Waarin oplader nummer 3 de grootste storing heeft en laat deze nou net ook de goedkoopste zijn, maar dit is wellicht toeval. Niet alleen het niveau van storing is opvallend, maar ook de verspreiding in de frequentie pieken. Over het algemeen zijn deze terug te leiden tot de schakelfrequentie(s) van de opladers. Dus eigenlijk hoe vaak per seconde de halfgeleider open en dicht gaat in de voeding.


In Figuur 11 tot en met Figuur 14 (onderaan het artikel) zijn de resultaten weergegeven voor dezelfde opladers, in dezelfde volgorde als voorheen, maar nu onder een lichte belasting. In dit geval is dus een commercieel product gebruikt om de werkelijke situatie na te bootsen. Ook hier geldt weer dat men dit niet kan gebruiken om een vergelijking te maken met de limieten van een test standaard. Er is namelijk geen enkele garantie dat er geen interactie tussen de apparatuur is, waardoor het storingsgedrag volledig onder of overschat kan worden. Het is bijzonder om te zien dat eenzelfde belasting in combinatie met ogenschijnlijke overeenkomstige usb opladers volkomen verschillende frequentiespectra geeft en de invloed op de aangesloten apparatuur ook ver uiteen kan lopen. Dit kan ook resulteren in een negatieve invloed op aangesloten apparatuur, men kan hierbij denken aan een kapotte telefoon als gevolg van een ontplofte accu.


Uiteindelijk is dus te concluderen, dat niet iedere USB oplader hetzelfde gedrag heeft. Uiteraard functioneel gezien wel, ze leveren allemaal een 5V uitgangsspanning en kunnen op zijn minst een continue stroom van 500mA leveren. Maar de gevoeligheid van het aangesloten product gaat uiteindelijk bepalen of het wat uitmaakt of je een goedkope USB oplader gebruikt of de meegeleverde "dure" fabrikant versie.


[1] C. Keyer, F. Buesink, and F. Leferink, "Mains Power Synchronous Conducted Noise Measurement in the 2 to 150 kHz band," in Electromagnetic Compatibility (EMC EUROPE), 2016 International Symposium on, 2016, pp. 865-869.

USB opladersFiguur 6: Nulmeting, hier is geen usb oplader aangesloten

USB opladersFiguur 7: USB lader 1 onbelast

USB opladersFiguur 8: USB lader 2 onbelast

USB opladers Figuur 9: USB lader 3 onbelast

USB opladersFiguur 10: USB lader 4 onbelast

USB opladersFiguur 11: USB lader 1 onder lichte belasting

USB opladersFiguur 12: USB lader 2 onder lichte belasting

USB opladersFiguur 13: USB lader 3 onder lichte belasting

USB opladersFiguur 14: USB lader 4 onder lichte belasting

 

Video's

Zijn robots ons ooit te slim af?

Zijn robots ons ooit te slim af?

In films worden robots steeds slimmer, maar is dat ook het geval in de echte wereld? In dit college…

Komt Brainport Eindhoven binnenkort met de batterij van de toekomst?

Komt Brainport Eindhoven binnenkort met de batterij van de toekomst?

In Brainport Eindhoven wordt gewerkt aan de batterij van de toekomst: veiliger, met een hogere…

Door onze partner Pilz: myPNOZ – uw modulaire veiligheidsrelais

Door onze partner Pilz: myPNOZ – uw modulaire veiligheidsrelais

Bent u op zoek naar een eenvoudige oplossing om meerdere veiligheidsfuncties te bewaken? Dan is het…

Tatoeëren via internet

Tatoeëren via internet

T-Mobile lanceerde onlangs het filmpje ‘The Impossible Tattoo', waarin een man op…

Eurocircuits over PCB Assembly: First Board Inspection

Eurocircuits over PCB Assembly: First Board Inspection

Ongeacht de grootte van een productiebatch, is het belangrijk om het eerste board dat uit de pick …

Meer videos »

Laatste nieuws

Waarin een kwantummagneet op water lijkt

Een gefrustreerde kwantummagneet gedraagt zich eigenlijk net als water

Vloeibaar water kan bevriezen en een vaste stof vormen, of koken en gasvormig worden. In onze keuken verlopen zulke faseovergangen niet geleidelijk, maar onder hoge druk zijn dz veel ’gladder’. En zo werken…

Alle 10 miljoen gebouwen in Nederland ontsloten in 3D

Alle 10 miljoen gebouwen in Nederland ontsloten in 3D

Tochtgaten in een kantorenwijk, geluidshinder door industrie, horizon-vervuilende windmolens bij woonhuizen, verkeerde lichtinval in een school. Niet altijd vooraf voorzien, maar wel hinderlijk of ronduit storend nadat…

Volvo en SSAB gaan eerste voertuigen produceren op waterstof

Volvo en SSAB gaan eerste voertuigen produceren op waterstof

Volvo en SSAB willen ‘s werelds eerste voertuigen produceren van fossielvrij staal. Volvo is van plan om al dit jaar te beginnen met de productie van conceptvoertuigen en onderdelen van staal dat door SSAB wordt…

Meer nieuws »

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Gratis nieuwsbrief

safety update
 

Agenda

19 april 2021, online

KNAW-webinar: Wiskunde in tijden van corona

Epidemiologische modellen brengen de verspreiding van infectieziekten binnen sociale netwerken in kaart...

20 april 2021, online

Webinar over Europese normalisatie in staalsector

Webinar over de herstructurering van de Europese normalisatie in de staalsector.

18 mei 2021, online

The Battery Show & EV Tech Europe Digital Days

A conference and trade fair focused on keeping up with developments in the advanced battery and...

Meer agendapunten »