Fonte isolada USB para pedais

[btondin]

Senhores,

Estou desenvolvendo um projeto de fonte isolada para pedais. Usar uma bateria de 9V é prático, mas não barato e as fontes isoladas do mercado são caras e a maioria precisa ligar diretamente na rede. Pensei que com o advento de carregadores de celular cada vez com mais potência e power banks com mais capacidade, daria pra tirar proveitos dessa evolução, fazendo uma fonte mista (pode ser utilizada na bateria ou na rede).

Primeira definição seria como fazer o isolamento de cada saída. Poderia ser projetado um isolador (o que envolveria design em frequência mais altas e transformadores dedicados, porém maior liberdade na potência) ou comprar um módulo pronto (menos flexibilidade e muito mais simplicidade). Encontrei na LCSC (uma "digikey chinesa") um módulo isolado da Murata, MEJ2S1209SC que converte a tensão de 12V para 9V e suporta até 222mA de corrente na saída (existe o módulo que converte de 5 para 9, porém este fornecedor não vende, e conseguir esses componentes no brasil é difícil).

Primeira ideia seria usar uma fonte com a tensão padrão de 5V, usar um step up pra 12V e alimentar os isoladores. No entanto esse step up teria que suportar a corrente de TODOS os pedais, esbarrando no problema de projetar um circuito ou usar um módulo. O módulo que tenho a disposição é o PTN04050C da TI, fornece até 1A@12V porém custa em torno de 15 dólares lá fora em um distribuidor autorizado ou comprando direto da TI. Um pouco inviável.

Ideia que surgiu seria então utilizar um carregador com pelo menos Quick Charge 2, fazer uma interface com PIC pra realizar o handshake com o carregador e receber direto os 12V na placa sem step up nem nada. Nota-se que, se não há necessidade de isolamento entre as saídas, bastaria programar o PIC para requisitar 9V e já se teria uma fonte com boa capacidade de corrente utilizando apenas um PIC de 8 pinos, um regulador para 3v3 e um punhado de resistores e capacitores.

Pra adicionar "isolamento" entre as saídas bastaria colocar N + 1 isoladores para a quantidade desejada. Para proteger o circuito (e o pedal) um PTC colocado em série em cada saída evitaria danos em caso de curto circuito ou sobrecorrente. Segue diagrama de blocos simplificado.



Estou aberto a sugestões e vou informando o andamento do projeto conforme for avançando.

[xformer]

Eu não vejo muita diferença entre usar um carregador e uma fonte chaveada.
Eu compraria uma fonte chaveada de 12V x 3A (ou menos ou mais corrente, vai a gosto do projetista) e um  monte desses conversores DC-DC de 12V para 9V da Murata que você citou e resolvia a parada.

[marcao_cfh]

...um módulo isolado da Murata, MEJ2S1209SC que converte a tensão de 12V para 9V...

...Primeira ideia seria usar uma fonte com a tensão padrão de 5V, usar um step up pra 12V e alimentar os isoladores...

Você quer jogar de 5V para 12V, depois de 12V para 9V. Duas conversões, com circuitos step up/down que muito provavelmente não foram projetados para trabalhar com áudio, ou seja, podem trabalhar em frequências que induzam oscilação. Um pouco arriscado.

No entanto esse step up teria que suportar a corrente de TODOS os pedais,

O MT3608 é um step up que aguenta até 2A. Acha no Brasil na faixa de R$12 (mais frete, claro).

[btondin]

Eu não vejo muita diferença entre usar um carregador e uma fonte chaveada.
Eu compraria uma fonte chaveada de 12V x 3A (ou menos ou mais corrente, vai a gosto do projetista) e um  monte desses conversores DC-DC de 12V para 9V da Murata que você citou e resolvia a parada.

Mas a ideia é justamente não ter que se prender a uma fonte chaveada dedicada. A tendência hoje em dia é uma padronização das fontes para eletrônicos e isso permite que se use uma fonte rápida XIAOMI em um SAMSUNG ou APPLE e vice versa. Quero aproveitar essa tendência. Fora que uma das idéias do projeto é permitir conectar em um power bank padrão caso não haja ou não se queira conectar na tomada.
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Você quer jogar de 5V para 12V, depois de 12V para 9V. Duas conversões, com circuitos step up/down que muito provavelmente não foram projetados para trabalhar com áudio, ou seja, podem trabalhar em frequências que induzam oscilação. Um pouco arriscado.

O MT3608 é um step up que aguenta até 2A. Acha no Brasil na faixa de R$12 (mais frete, claro).

Testei aqui o STEP UP PTN04050C pra elevar a fonte padrão e não notei nenhum ruído. Essa etapa de step up vou eliminar do projeto de qualquer forma, e pretendo botar filtros pi pra minimizar qualquer ruído possível que venha da fonte ou dos isoladores (estes último trabalham com uma frequência um tanto baixa pro meu gosto, mas era o que tinha disponível).

[Ederluli]

Aguardo os resultados, achei a ideia bastante interessante.
Você possui equipamentos (osciloscópio) para a medição dos ruídos?

[btondin]

Aguardo os resultados, achei a ideia bastante interessante.
Você possui equipamentos (osciloscópio) para a medição dos ruídos?

Sim, possuo. Vou esperar chegar os componentes pra dar andamento no projeto.

Achei um produto praticamente idêntico ao que eu quero fazer:

https://missionengineering.com/shop-2/products/power/power-529/

[Kraftman]

A idéia é muito boa, cheguei a fazer um projeto parecido, só que não usava microcontrolador.
Pensando em fazer isso pra vender, achei o custo muito alto, com o dólar de hoje, 10 módulos isoladores, com todos impostos sem o frete, vai ter um custo de R$ 600,00.
Sobre a fonte é melhor usar uma de 12V e rebaixar para 9V.
Esses carregadores que mencionou, quick charge, são na verdade carregadores que podem fornecer mais corrente instantânea, mas o problema de elevar a tensão é a corrente exigida da parte de 5v.
Considerando que a eficiência de um boost seja de 100%, que não é, para elevar de 5V para 10 por exemplo, e fornecer 1A, a parte de 5V vai sentir 2A, como a eficiencia de um bom boost chega a 90%, você ter uma corrente de 2,2A em 5V pra fornecer 1A em 10V.
Rebaixar acho mais vantajoso.
Reforço o que disse, vai ser necessário fazer um tratamento nas saídas desses módulos, usando um filtro LC passa baixas para reduzir o ripple.
Dica, use capacitores cerâmicos em paralelo com os eletroliticos, algo entre 22uF, isso reduz a ESR do conjunto. Só não use eletrolíticos se a frequência de oscilação for maior que 350khz, isso vai aquecer muito os eletrolíticos e eles se tornarão ineficientes.

[A.Sim]

Olá.

Eu descobri alguns conversores isolados 5 V para 5 V no estoque, novos. São três NMV0505S ( US$ 6.50/u ) e dois NMV0505D ( US$ 10.0/u ). Quem estiver interessado, por favor, envie mensagem privada.

[btondin]

A idéia é muito boa, cheguei a fazer um projeto parecido, só que não usava microcontrolador.
Pensando em fazer isso pra vender, achei o custo muito alto, com o dólar de hoje, 10 módulos isoladores, com todos impostos sem o frete, vai ter um custo de R$ 600,00.
Sobre a fonte é melhor usar uma de 12V e rebaixar para 9V.
Esses carregadores que mencionou, quick charge, são na verdade carregadores que podem fornecer mais corrente instantânea, mas o problema de elevar a tensão é a corrente exigida da parte de 5v.
Considerando que a eficiência de um boost seja de 100%, que não é, para elevar de 5V para 10 por exemplo, e fornecer 1A, a parte de 5V vai sentir 2A, como a eficiencia de um bom boost chega a 90%, você ter uma corrente de 2,2A em 5V pra fornecer 1A em 10V.
Rebaixar acho mais vantajoso.
Reforço o que disse, vai ser necessário fazer um tratamento nas saídas desses módulos, usando um filtro LC passa baixas para reduzir o ripple.
Dica, use capacitores cerâmicos em paralelo com os eletroliticos, algo entre 22uF, isso reduz a ESR do conjunto. Só não use eletrolíticos se a frequência de oscilação for maior que 350khz, isso vai aquecer muito os eletrolíticos e eles se tornarão ineficientes.

Desculpa a demora pra atualizar a situação. Acontece que o nosso querido serviço de correios ainda não entregou os componentes que adquiri então não dei andamento. Em compensação o carregador QC3 que comprei já chegou e possui a seguinte especificação: Modelo: Baseus Quick Charge 3.0 18W com saída de 5V/3A 9V/2A 12V/1.5A. Vou utilizar os isoladores de 12V para 9V com eficiência mínima de 75% segundo datasheet (poderia usar isolador de 5 para 9 ou 9 para 9, porém era o que tinha na loja no momento. De qualquer forma o circuito não muda)

Teria então uma corrente total de saída de 1.5A @ 9V onde cada isolador suporta 222mA segundo o datasheet. Assim temos com folga como alimentar 6 módulos. Pretendo fazer um filtro de saída com LC como tu mesmo sugeriu e uma proteção de alguma possível sobretensão e sobrecorrente usando zener e PTC resetável em cada canal de saída. Vou tentar quebrar a cuca pra desenhar um circuito simples (maximo tjb/fet + resistores) que indique por um ledo de duas cores se há algo ligado ou se corrente passou do limiar (Se corrente > 5mA = LED azul ) ou (Se corrente > 200mA = LED vermelho). Gostaria de ajuda nessa parte pois estou um tanto enferrujado em eletrônica discreta.

Não quero esperar 4 meses pra chegar a placa da china e terminar esse projeto só em 2021. To pensando em fazer placas modulares menores (3 canais por placa) e poder fazer associações em paralelo das mesmas (se usar um carregador mais parrudo, a fonte dos pedais pode suportar mais módulos). mando fabricar na OSHPark, que pela minha expriência tem um bom preço para placas pequenas e chega em 2 semanas ou menos.

[casacunha]

Os amigos estariam falando disso aqui?

http://rover.ebay.com/rover/1/1185-53479-19255-0/1?ff3=4&pub=5575049788&toolid=10001&campid=5337383433&customid=&mpre=https%3A%2F%2Fwww.ebay.es%2Fitm%2F5pcs-DC-DC-2A-Adjustable-Boost-Power-Supply-Converter-Step-Up-Module-2-24V-Input%2F201881836994%3FssPageName%3DSTRK%253AMEBIDX%253AIT%26amp%3B_trksid%3Dp2060353.m2749.l2649

[Kraftman]

A idéia é muito boa, cheguei a fazer um projeto parecido, só que não usava microcontrolador.
Pensando em fazer isso pra vender, achei o custo muito alto, com o dólar de hoje, 10 módulos isoladores, com todos impostos sem o frete, vai ter um custo de R$ 600,00.
Sobre a fonte é melhor usar uma de 12V e rebaixar para 9V.
Esses carregadores que mencionou, quick charge, são na verdade carregadores que podem fornecer mais corrente instantânea, mas o problema de elevar a tensão é a corrente exigida da parte de 5v.
Considerando que a eficiência de um boost seja de 100%, que não é, para elevar de 5V para 10 por exemplo, e fornecer 1A, a parte de 5V vai sentir 2A, como a eficiencia de um bom boost chega a 90%, você ter uma corrente de 2,2A em 5V pra fornecer 1A em 10V.
Rebaixar acho mais vantajoso.
Reforço o que disse, vai ser necessário fazer um tratamento nas saídas desses módulos, usando um filtro LC passa baixas para reduzir o ripple.
Dica, use capacitores cerâmicos em paralelo com os eletroliticos, algo entre 22uF, isso reduz a ESR do conjunto. Só não use eletrolíticos se a frequência de oscilação for maior que 350khz, isso vai aquecer muito os eletrolíticos e eles se tornarão ineficientes.

Desculpa a demora, fiquei um tempo sem entrar no forum.
Então, sobre placas, eu mando fazer na JLCPCB.com, acho a qualidade deles excelente e o preço também é ótimo.
Sobre criar um sensor de sobre tensão e sobre corrente, usando apenas componentes discretos, dá pra fazer, mas você vai ocupar um bom espaço na placa. Para a série X das minhas fontes, eu projetei pequenas placas que eram soldadas na vertical na placa principal, os componentes iam nas duas faces da placa, no top e no bottom, assim eu aproveitava todo o espaço nessa pequena placa e consequentemente na placa maior também.
Você pode usar um resistor shunt como sensor de corrente, um resistor de 0,1R por exemplo de 1/2W. Você vai colocar esse resistor em série com a carga, do lado do ground, pois para fazer do lado do positivo, você vai precisar de um amplificador de diferença de instrumentação, também chamado de "up side" current sensing, que é um amplificador operacional para essa finalidade, porém são bem caros, se fizer "down side" você pode usar um lm358 por exemplo, que apesar de ter um baixo slew rate, dá conta de fazer o que precisa. Dizer down side e up side, está relacionado a posição do sensor de corrente em relação a carga. Quando o sensor de corrente está entre o gnd e a carga, ele é down side, e quando está entre a carga e o positivo da alimentação, é up side. Claro que sempre é colocado em série.
Ai você coloca um resistor entre o GND e a saída e amplifica a queda de tensão sobre ele. Você vai precisar de outro operacional para fazer a comparação de tensão. Você vai comparar a queda  de tensão amplificada nesse resistor com uma tensão de referência que vai ser o limite, se a queda de tensão no resistor ultrapasar a tensão que você determinou como limite, a saída do operacional vai saturar, ai nela você pode criar uma lógica para colocar em corte um MOSFET que você já tenha deixado por padrão em saturação, que pode ser um MOSFET que entrega o positivo da sua fonte principal para o módulo isolador.
Você pode usar a mesma lógica e criar um circuito semelhante para fazer o bloqueio em caso de sobre tensão, e dá para fazer usando o mesmo MOSFET. Esse MOSFET vai ser sua chave de entrada do circuito de cada módulo isolador. No meu caso eu economizei ainda um pouco de espaço pois o regulador que eu usava era um LDO que tinha um pino de enable, então eu colocava a saída do opamp direto nesse pino e o regulador era desligado.

[btondin]

Desculpa a demora, fiquei um tempo sem entrar no forum.
Então, sobre placas, eu mando fazer na JLCPCB.com, acho a qualidade deles excelente e o preço também é ótimo.
Sobre criar um sensor de sobre tensão e sobre corrente, usando apenas componentes discretos, dá pra fazer, mas você vai ocupar um bom espaço na placa. Para a série X das minhas fontes, eu projetei pequenas placas que eram soldadas na vertical na placa principal, os componentes iam nas duas faces da placa, no top e no bottom, assim eu aproveitava todo o espaço nessa pequena placa e consequentemente na placa maior também.
Você pode usar um resistor shunt como sensor de corrente, um resistor de 0,1R por exemplo de 1/2W. Você vai colocar esse resistor em série com a carga, do lado do ground, pois para fazer do lado do positivo, você vai precisar de um amplificador de diferença de instrumentação, também chamado de "up side" current sensing, que é um amplificador operacional para essa finalidade, porém são bem caros, se fizer "down side" você pode usar um lm358 por exemplo, que apesar de ter um baixo slew rate, dá conta de fazer o que precisa. Dizer down side e up side, está relacionado a posição do sensor de corrente em relação a carga. Quando o sensor de corrente está entre o gnd e a carga, ele é down side, e quando está entre a carga e o positivo da alimentação, é up side. Claro que sempre é colocado em série.
Ai você coloca um resistor entre o GND e a saída e amplifica a queda de tensão sobre ele. Você vai precisar de outro operacional para fazer a comparação de tensão. Você vai comparar a queda  de tensão amplificada nesse resistor com uma tensão de referência que vai ser o limite, se a queda de tensão no resistor ultrapasar a tensão que você determinou como limite, a saída do operacional vai saturar, ai nela você pode criar uma lógica para colocar em corte um MOSFET que você já tenha deixado por padrão em saturação, que pode ser um MOSFET que entrega o positivo da sua fonte principal para o módulo isolador.
Você pode usar a mesma lógica e criar um circuito semelhante para fazer o bloqueio em caso de sobre tensão, e dá para fazer usando o mesmo MOSFET. Esse MOSFET vai ser sua chave de entrada do circuito de cada módulo isolador. No meu caso eu economizei ainda um pouco de espaço pois o regulador que eu usava era um LDO que tinha um pino de enable, então eu colocava a saída do opamp direto nesse pino e o regulador era desligado.

Os chinas da LCSC estão com todas as encomendas epacket paradas e querem 30 USD para enviar via FEDEX ou esperar a situação normalizar. Vou deixar assim já que não tenho pressa.

Já mandei fazer na JLCPCB, ótimo preço para placas maiores. OSHPARK faz placas de alta qualidade (ENIG, etc) porém caras pra dimensões maiores. vantagem é que já chegou em 5 dias úteis na minha casa, frete grátis e sem taxas.

Acho matar uma formiga com um canhão usar um amp de instrumentação para medir corrente. Não acho importante saber se o pedal tá consumindo um valor de mA até a segunda casa decimal, só quero saber se está próximo do limite de saída. Pensei em algo usando mosfets e fusíveis PTC resetáveis. Se der sobrecorrente o fusível abre e liga um LED vermelho por um tempo (até esfriar). A proteção de tensão um simples zener de 10V em paralelo com a saída que vai acionar a proteção do PTC caso o DCDC isolado pire e jogue uma tensão elevada.

A escolha por "acessar" os 12V do quick charge foi apenas pelo fato de ser o isolador de 12V para 9V o que estava disponível na loja. Mas a topologia do circuito não muda absolutamente nada se usar 12V, 9V ou 5V (esta útima permite inclusive não usar um mcu para liberar as tensões mais altas).

Se olhares as saídas de um carregador quickcharge verá que a potência se mantêm nas diferentes tensões pois ele é justamente um AC/DC com ajustes de tensão variáveis. Logo a eficiência é praticamente a mesma pro valor de saída que se quer.

Pensei em fazer placas modulares. Sua ideia de placas verticais em slots de uma vertical "mãe" é boa, porém limitaria a dimensão do produto. A placa mãe teria um tamanho fixo. Minha ideia é que se possa ir anexando outras placas lateralmente visto que será necessário apenas um barramento com GND e VDC vindo do carregador. Basta dimensionar direitinho. Já existem fontes USB de 120W por exemplo. Sem considerar perdas a rigor é ~13A @ 9V. Ou seja, até 130 saídas de 100mA (uma ignorância, mas só para ilustrar as possibilidades. Como são saídas isoladas, com alguns cabinhos personalizados seria possível botar em série ou/e paralelo para ter saídas com mais capacidade de corrente ou 18V.

Vou pensando mais a diante

[btondin]

Depois de esperar desde abril a entrega dos isoladores comprados na LCSC, eles finalmente chegaram!!!

Vai começar a brincadeira:

[btondin]

Consegui tempo pra começar a brincar um pouco:

Primeiro passo foi implementar o algoritmo que faz o "handshake" com um carregador de celular com Quick Charge (testei com "Baseus Quick Charge 3.0 USB Charger 18W QC3.0")

Lendo algumas páginas de implementação usando Arduino como a https://github.com/vdeconinck/QC3Control e o datasheet do integrado CHY100, que seria um controlador do lado do carregador, obtive o seguinte algoritmo (ilustrado na Figura 1):

Figura 1 - Formas de onda geradas

 * t = 0 o carregador (chamado de DCP) é conectado com o cabo USB ao dispositivo a ser alimentado (PD)

 * T = ~20ms DCP curto-circuita D+ e D-

Se D+ é mantido até 1.25s a tensão acima de 0.325V e abaixo de 2V, o DCP entra no modo QC, e faz o seguinte:
 
 * T = ~1.25s DCP "des"curto-circuita D+ e D-


 * T = 2s (valor escolhido por mim) PD faz um request de tensão de saída variando os valores em D+ e D- conforme tabela da Figura 2

Figura 2 - Tabela da relação D+ e D- com a tensão de saída

Para ter certeza que está sendo utilizado um DCP com QC, implementei um protocolo no microcontrolador do PD que monitora durante o período de "handshake" os valores de D+ e D- assim como monitora constantemente a tensão de saída do DCP. Uma chave que alimenta os isoladores só é ligada quando se verifica 12V na saída do DCP, caso contrário pisca um led para informar do problema.

Utilizei a chave TPS22810DBVR de 3A da Texas Instruments que permite uma rampa de subida para evitar um inrush indesejado. Configurei esta rampa para que vá de 10% a 90% da tensão máxima (12V) em ~5ms. utilizando 2 caps de 100n no pino CT da chave. Figura 3.

Figura 3 - Rampa de subida na saída da chave TPS22810DBVR

Abaixo o esquemático do circuito que eu utilizei até então (Figura 4):

Figura 4 - Esquemático co circuito utilizado até então

A partir de agora é trabalhar na parte dos isoladores em diante...

[Kraftman]

Cara, muito legal seu ensaio.
Faz tempo que não entro aqui, legal ver que você está evoluindo nesse projeto.
Falando sobre isso, estou estudando mais sobre conversores chaveados, ainda não levantei os custos com precisão, mas pelo que pesquisei por cima, ainda sai mais barato comprar um conversor pronto do que desenvolver um, comprar os componentes, mandar fazer as placas e montar.
A única limitação é a potência dos módulos DC/DC, os que podem fornecer mais que 250 ou 300mA, já sobem muito de preço.