EO

USB opladers

25 februari 2021 om 09:59 uur

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

Veilige robotcel

Veilige robotcel

De samenwerking met robots is niet meer weg te denken uit de huidige industriële omgevingen.…

Lego-voorbeelden van complexe mechanische principes

Lego-voorbeelden van complexe mechanische principes

Het YouTube-kanaal van Redshoebox is gespecialiseerd in het maken van dynamische Lego-modellen,…

De hyperloop uitgelegd

De hyperloop uitgelegd

Om consumenten voor te lichten die misschien in de war zijn over wat de hyperloop eigenlijk is en…

Waarom de trein niet duurzamer is dan het vliegtuig

Waarom de trein niet duurzamer is dan het vliegtuig

Veel mensen pakken nu het kan het vliegtuig naar een zonnige bestemming. Vaak wordt de trein gezien…

Hoe print je een brein op een computerchip?

Hoe print je een brein op een computerchip?

Ons geheugen zit bijzonder complex en fascinerend in elkaar. We krijgen tijdens het leven veel…

Meer videos »

Laatste nieuws

Een gevleugelde microchip: de kleinste door mensen gemaakte vliegende structuur ooit

Microchips kunnen nieuw kunstje: vliegen

Ingenieurs van de Northwestern University (VS) hebben een nieuwe mogelijkheid toegevoegd aan elektronische microchips: vliegen. De vliegende chip (of 'microflier') is ongeveer zo groot als een zandkorrel en…

Eerste 100% Limburg Bike gereed

Eerste 100% Limburg Bike gereed

De eerste testexemplaren van de 100% Limburg Bike zijn gereed. Deze fiets is ontwikkeld op Brightlands Chemelot Campus in Sittard-Geleen met een consortium van ondernemers, onderzoekers en studenten. De komende maanden…

Rolls-Royce's volledig elektrische 'Spirit of Innovation' gaat voor het eerst de lucht in

Rolls-Royce's volledig elektrische 'Spirit of Innovation' gaat voor het eerst de lucht in (video)

Rolls-Royce's volledig elektrische 'Spirit of Innovation' heeft zijn eerste vlucht gemaakt. Het vliegtuig werd aangedreven door zijn 400 kW (500+ pk) elektrische aandrijflijn met het krachtigste…

Meer nieuws »

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Gratis nieuwsbrief

safety update
 

Product van de maand

RSS
Volledig metalen transponderschakelaar CTA

Met een volledig metalen behuizing is deze CTA een nóg sterkere variant dan de kunststof versie.

Agenda

29 september 2021, Groningen

Main Industry

Vakbeurs voor industrial maintenance en smart industry

4 oktober 2021

Week van de mki

FME-week over boeien en binden in de techniek.

13 oktober 2021, Den Bosch

Efficiënt Aandrijven Event 2021

De focus van dit event ligt op energiebesparende oplossingen in de gehele aandrijfketen en niet...

Meer agendapunten »