Raideliikennekäyttöön soveltuvan USB-laturin suunnittelu ja analysointi
Stenhammar, Rino (2023)
Diplomityö
2023
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023061454816
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023061454816
Tiivistelmä
USB-portin kautta ladattavat kannettavat laitteet ovat yleistyneet voimakkaasti tämän vuosituhannen aikana. Tämä on johtanut siihen, että USB-latausportteja tarvitaan yhä useammassa paikassa. Latausportteja onkin nykyään monissa julkisissa paikoissa, mutta valmistajakohtaiset latausprotokollat takaavat nopean latauksen vain tiettyjen valmistajien laitteille. Kaikkien valmistajien laitteita voi toki ladata standardin mukaisista USB-porteista, mutta lataus voi olla hyvin hidasta, jolloin akku ei ehdi juurikaan varautua esimerkiksi juna- tai metromatkan aikana.
Tässä diplomityössä tutkitaan USB-standardeja ja -spesifikaatioita sekä suunnitellaan USB-laturi. USB-laturin suunnittelun tavoitteena on yhteensopivuus kaikkien valmistajien laitteiden kanssa ja riittävän suuri maksimilatausteho. Uusien standardien myötä eri valmistajien laturien ja kannettavien laitteiden välinen yhteensopivuus paranee, kun C-tyypin USB-liitin tulee pakolliseksi. Suunniteltava USB-laturi noudattaakin uusia standardeja ja vaatimuksia.
Sähköteknisestä näkökulmasta katsottuna USB-laturi on tehoelektroniikkamuunnin. Muunnintopologian valinnassa otetaan huomioon muun muassa sähköturvallisuus ja hyötysuhde. Muuntimen suunnittelussa ja komponenttien valinnassa hyödynnetään useita yhtälöitä. Laskennan pohjalta muuntimesta tehdään simulointimalli ja simulointituloksia analysoidaan. Lopuksi muuntimesta rakennetaan prototyyppi ja käytännön mittauksista saatuja tuloksia tarkastellaan. Simulointi- ja mittaustulosten perusteella laturin suunnittelu on pääpiirteittäin onnistunut. Portable devices that utilize USB ports for charging have become more common during this millennium. This has caused an increased need for USB charging ports. Nowadays charging ports can be found in various public locations but manufacturer specific charging protocols assure fast charging only for devices from certain manufacturers. However, it’s possible to charge a portable device from any standard USB port but the charging may occur very slowly. Therefore, the battery of the portable device might be charged only slightly during a train journey or a subway journey, for example.
USB standards and specifications are studied in this master’s thesis. Design of a USB charger is included in the thesis as well. The objective of the design is to accomplish a decent compatibility between the charger and the portable device regardless of the manufacturer while reaching an adequate maximum charging power. As new standards come into effect the compatibility between any charger and any portable device improves since a USB Type-C connector will be mandatory. The USB charger designed in this thesis complies with the new standards and regulations.
A USB charger is a power electronic converter when it comes to its electrical structure. When choosing a suitable converter topology many aspects are considered such as electrical safety and efficiency. The design of the converter and the selection of the components are done by using many equations. Based on the calculations a simulation model of the converter is presented and the simulation results are analyzed. Finally, a prototype charger is manufactured and the results of the practical measurements are studied. According to the simulation results and the practical measurements, the design of the converter is mainly successful.
Tässä diplomityössä tutkitaan USB-standardeja ja -spesifikaatioita sekä suunnitellaan USB-laturi. USB-laturin suunnittelun tavoitteena on yhteensopivuus kaikkien valmistajien laitteiden kanssa ja riittävän suuri maksimilatausteho. Uusien standardien myötä eri valmistajien laturien ja kannettavien laitteiden välinen yhteensopivuus paranee, kun C-tyypin USB-liitin tulee pakolliseksi. Suunniteltava USB-laturi noudattaakin uusia standardeja ja vaatimuksia.
Sähköteknisestä näkökulmasta katsottuna USB-laturi on tehoelektroniikkamuunnin. Muunnintopologian valinnassa otetaan huomioon muun muassa sähköturvallisuus ja hyötysuhde. Muuntimen suunnittelussa ja komponenttien valinnassa hyödynnetään useita yhtälöitä. Laskennan pohjalta muuntimesta tehdään simulointimalli ja simulointituloksia analysoidaan. Lopuksi muuntimesta rakennetaan prototyyppi ja käytännön mittauksista saatuja tuloksia tarkastellaan. Simulointi- ja mittaustulosten perusteella laturin suunnittelu on pääpiirteittäin onnistunut.
USB standards and specifications are studied in this master’s thesis. Design of a USB charger is included in the thesis as well. The objective of the design is to accomplish a decent compatibility between the charger and the portable device regardless of the manufacturer while reaching an adequate maximum charging power. As new standards come into effect the compatibility between any charger and any portable device improves since a USB Type-C connector will be mandatory. The USB charger designed in this thesis complies with the new standards and regulations.
A USB charger is a power electronic converter when it comes to its electrical structure. When choosing a suitable converter topology many aspects are considered such as electrical safety and efficiency. The design of the converter and the selection of the components are done by using many equations. Based on the calculations a simulation model of the converter is presented and the simulation results are analyzed. Finally, a prototype charger is manufactured and the results of the practical measurements are studied. According to the simulation results and the practical measurements, the design of the converter is mainly successful.