12V 直流不間斷電源

相信80/90后在農村長(cháng)大的，都有這個(gè)體驗：當有大風(fēng)或暴風(fēng)雨時(shí)，往往會(huì )斷電。因此，我的計算機、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò )設備都使用相對低成本的不間斷電源。這些都在密封鉛酸電池上運行，并不是為直流設備（如 Raspberry Pi 或互聯(lián)網(wǎng)路由器）供電的一種過(guò)于高效的方式作為輸入電源。AC 為 DC 電池充電，然后通過(guò)逆變器產(chǎn)生 AC 電源，該逆變器為 AC-DC 轉換器供電，為 DC 設備供電。我認為制作一個(gè)適合為我的 ADSL 路由器供電的小型 UPS 會(huì )很有趣，而不是讓整個(gè) AC UPS 專(zhuān)門(mén)用于它。

我的 ADSL 路由器有一個(gè) 12V/1A 電源，盡管它可能在內部以 1.8-3.3v 運行。在這個(gè)項目中，我將創(chuàng )建一個(gè) 12V 1A UPS。像往常一樣，您可以在GitHub 上找到開(kāi)源 Altium Designer 項目文件，這些文件在 MIT 許可下獲得許可。該許可證基本上允許您對設計進(jìn)行任何您喜歡的操作。如果您正在尋找庫文件，這個(gè)項目是用我的 Open Source Altium Designer Library 設計的。

以上是您將在A(yíng)ltium 365 Viewer 中閱讀的 PCB 設計 ；一種與您的同事、客戶(hù)和朋友聯(lián)系的免費方式，只需單擊一下按鈕即可查看設計或下載！在幾秒鐘內上傳您的設計，并以交互方式深入查看，無(wú)需任何笨重的軟件或計算機功能。

鉛酸電池每瓦時(shí)的能量非常經(jīng)濟，但我想制造一些更現代、更緊湊、更輕便的東西。我將使用兩個(gè) 18650 鋰聚合物電池為我的 UPS 供電，因為它們提供出色的功率密度、放電率和相對高速的充電。如果您想用電池為下一個(gè)項目供電，何不看看我在 OctoPart 上關(guān)于為您的項目選擇電池化學(xué)成分的文章 。與鉛酸電池相比，18650 電池每瓦時(shí)相對昂貴，但我的 UPS 不會(huì )承受巨大的負載。

一塊 LG MJ1 電池的容量為 3500mAh，因此兩個(gè)串聯(lián)為我提供了標稱(chēng) 25.9Wh。它不是很多，但使用 95% 效率的 DC-DC 轉換器，我將有大約 24.6Wh 的可用功率，在額定 1A 負載下提供大約兩個(gè)小時(shí)的運行時(shí)間。實(shí)際上，這可能會(huì )使我的路由器運行五到六個(gè)小時(shí)。

我可以使用單個(gè)電池或并聯(lián)的兩個(gè)電池，但是，兩個(gè)串聯(lián)允許我構建更高效的升壓轉換器，并為單片升壓轉換器提供更多選項。

為了將電池安裝在電路板上，我采用了簡(jiǎn)單的方法并使用了兩個(gè) Keystone 1043 模制電池座。它們對我來(lái)說(shuō)足夠便宜并且可以緊緊地固定住細胞。在電池的每一端使用通孔電池片的更便宜的方法需要額外的努力來(lái)將電池牢固地固定到位 - 例如可以完成Keystone 1043 電池座完全有能力完成的工作的 3D 打印外殼 。

對于電池充電，我將使用 Skyworks AAT3663IWO-8.4-2-T1，這是一款兩節鋰電池充電器，帶有 10k NTC 熱敏電阻輸入以提供熱保護。熱敏電阻在這種設計中可能不是特別有用。它不會(huì )完全接觸一個(gè)電池，更不用說(shuō)兩者了——但是當使用具有內置熱敏電阻的軟包電池組時(shí)，它是一個(gè)非常有用的選擇。我仍然會(huì )在板上添加一個(gè)熱敏電阻，但它只會(huì )安裝在一個(gè)電池下。

AAT3663 允許以高達 1A 的電流為串聯(lián)的兩個(gè)電池充電，這將給我大約 3 小時(shí)的充電時(shí)間。這比我從鉛酸電池中得到的要好得多，鉛酸電池可能長(cháng)達 24 小時(shí)?？焖俪潆姇r(shí)間在一定程度上彌補了我的 UPS 設計中電池容量相對較低的問(wèn)題，由于恢復時(shí)間短，它可以在暴風(fēng)雨天處理許多短暫的間歇性斷電。

原理圖實(shí)現起來(lái)非常簡(jiǎn)單，所有內容幾乎都只是數據表推薦的值——對此無(wú)需考慮太多。ISET 電阻器 R5 將電流設置為最大 1A。LED 用于顯示充電狀態(tài)。

理想情況下，兩節電池充電器應該平衡電池并確保一個(gè)電池不會(huì )過(guò)度充電。過(guò)充電/過(guò)電壓的電池可能會(huì )引起火災，因此需要注意這一點(diǎn)。我計劃使用的電池非常匹配，因此這將只需要我每隔一個(gè)月左右手動(dòng)檢查一次電池電壓，或者將它們取出以在我的“高級”充電器之一上保持平衡。在我看過(guò)的選項中，我無(wú)法找到平衡兩芯鋰離子電池充電器的低成本選項，所以如果您有很好的部件號，請在文章中發(fā)表評論并提出您的建議！

有多種方法可以為電池提供故障轉移；然而，我覺(jué)得最優(yōu)雅的解決方案是 Analog Devices LTC4414。當使用電池運行時(shí)，這通過(guò) P 溝道 MOSFET 熱插拔電池來(lái)提供最低損耗配置。LTC4414 是一款非常通用的 IC，允許進(jìn)行各種負載共享和冗余電源配置，我期待在未來(lái)的其他項目中使用它。

這不是完美的解決方案。然而，它有一些缺點(diǎn)——當運行路由器隨附的 AD-DC 轉換器時(shí)，原理圖使該輸入通過(guò)一個(gè)二極管運行，該二極管提供壓降和熱量損失。我選擇的二極管在任何 SMA 二極管中具有最低的正向壓降，因為它的電流和電壓額定值是我在我使用的供應商處找到的。我的路由器在遠低于 12V 的情況下繼續運行，所以這個(gè)小電壓降對我的應用來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題。其他可用的拓撲選項將使用 P 溝道 MOSFET 作為外部電源，這將消除此電壓降。但是，我沒(méi)有使用電池充電器測試該拓撲結構，因此我可以使用我可以測試的內容進(jìn)行安全測試。

另一個(gè)缺點(diǎn)是外部輸入（主電源）必須比故障轉移電源的電位至少高 20mV，才能使用外部電源。如果墻上電源的電壓下降，它實(shí)際上會(huì )開(kāi)始與備用電池進(jìn)行負載共享以穩定電壓。這在其他項目中可能是一個(gè)非常有用的功能，但它可能不會(huì )對這個(gè)項目有太大用處。我用我的實(shí)驗室電源玩過(guò)這個(gè)，一旦冗余電源在外部電源的 20mV 以?xún)?，我正在測試的 IC 就開(kāi)始啟用柵極。

VEXT 是外部電源電壓，VREG 是升壓后的電池電壓。

我使用 JST PH 連接器作為輸出，因為我可以輕松地將 JST PH（或兼容的 KR）連接到桶形插孔連接器以插入我的路由器。

正如我上面提到的，外部輸入電壓需要至少比冗余電源電壓高 20mV。因此，我不打算構建 12V 穩壓器。相反，我將構建一個(gè) 11.75V 穩壓器。您可能會(huì )想，'好吧，這比輸出低 250mV，您肯定可以做得更好嗎？嗯，我也是這么認為的，但是在玩了大約 10 分鐘的電阻值之后，我決定 11.75V 就足夠了。我將 ADI 公司的 LT8362 用于升壓控制器，它具有 1.6V 反饋和欠壓鎖定輸入，這有點(diǎn)非標準。在沒(méi)有讓我太接近 11.98V 的電阻容差的情況下，我能得到的最好是 11.75V 或使用 0.1% 或 0.5% 的電阻器和合適的電阻值。所以我正在為冗余電源構建一個(gè) 11.75V 穩壓器！

此設計在 500kHz 開(kāi)關(guān)頻率下的仿真效率為 95%。通過(guò)降低到設備支持的最低 300kHz，我可以獲得更高的效率；然而，電感器對于我的目標板尺寸來(lái)說(shuō)變得太大了。以較低頻率運行只會(huì )提供很小的效率增益，因此對我來(lái)說(shuō)，稍微小一點(diǎn)的尺寸是值得的。

我的欠壓鎖定起始電壓為 6.4V，因此當電池處于相對較低但仍然安全的放電狀態(tài)時(shí)，穩壓器將停止供電。我不希望任一電池低于 2.9V（5.8V 系列），并且 3.2V 被認為是為鋰離子電池放電的安全點(diǎn)。我使用的電池沒(méi)有內置電池保護，因此一旦電池電壓達到最低安全點(diǎn)，調節器就會(huì )自行關(guān)閉是相當重要的。

當存在外部電源時(shí)，我沒(méi)有費心去禁用調節器，而且調節器始終處于開(kāi)啟狀態(tài)并隨時(shí)準備好進(jìn)行故障轉移。在測試工作臺的設計時(shí)，從一個(gè)電源到另一個(gè)電源的切換是瞬時(shí)的，并且沒(méi)有電壓下降，即使在 200mA 負載和沒(méi)有輸出電容的情況下也是如此。如果 UPS 的電壓在負載下開(kāi)始下降，則擁有一個(gè)始終開(kāi)啟的穩壓器將確保 UPS 在幾納秒的通知內準備好接管或補充外部電源。每當連接外部電源時(shí)，電池都會(huì )進(jìn)行涓流充電，因此我不擔心在空載時(shí)保持穩壓器工作效率低下。

我有一個(gè)特別的地方想安裝這個(gè) UPS，所以我試圖將設計保持在 100 毫米 x 50 毫米。我可以很容易地作弊并將電池放在電路板的底部，從而為所有組件的頂部提供大量空間。但是，我不得不承認我喜歡一側的電池和組件的外觀(guān)！我喜歡在緊湊的區域進(jìn)行布局，布局和路線(xiàn)總是一個(gè)有趣的挑戰，而不會(huì )對設計做出太多犧牲！

在玩了一會(huì )兒之后，我以一種對我來(lái)說(shuō)最有意義的方式粗略地布置了電路板。最大的挑戰是 11.75V 穩壓器的相對巨大的電感。穩壓器的布局由 IC 的引腳排列和盡可能減小電流回路尺寸的需要決定，因此實(shí)際上只有兩種方法可以布置穩壓器——按原樣或旋轉 180 度。

我對充電器 IC 靠在電路板頂部邊緣的位置不太滿(mǎn)意。那里沒(méi)有很多銅散熱區域。我還意識到應該更換電池，因此正極端子最靠近開(kāi)關(guān)模式電源輸入。兩節電池之間的穩壓器改進(jìn)了電池充電器和穩壓器的布局。我最初將正極端子朝向 PCB 的頂部邊緣，以?xún)?yōu)化與充電器的距離，我首先將其放置在板上。然而，這增加了到電壓調節器的距離，并且沒(méi)有提供從正極端子到調節器輸入的大電流路徑。重新安排的董事會(huì )要好得多，我很滿(mǎn)意。

電池座下方的組件是 NTC 熱敏電阻，用于在電池過(guò)熱時(shí)終止充電或在電池太冷時(shí)非常緩慢地為電池充電。正如我在文章前面提到的，它可能不會(huì )是過(guò)于有效的保護。它只能感應一個(gè)電池，即使是那個(gè)工作也不能很好地接觸。在設計原理圖時(shí)，我曾爭論是否要包括熱敏電阻，但我認為最好有低效的保護而不是根本沒(méi)有。

我只是在組件周?chē)砑咏拥貪沧?，除了讓您的電路板制造商滿(mǎn)意（減少化學(xué)品使用）之外，沒(méi)有理由在電路板的其余部分澆銅。無(wú)論哪種方式，它都不會(huì )對這種設計產(chǎn)生太大的電氣影響。

設計完全布線(xiàn)后，沒(méi)有太多的犧牲可以適應所有東西。電路板的長(cháng)度剛好足以安裝穩壓器，布局合理，有足夠的路徑來(lái)傳導熱量。

布線(xiàn)完成后，我只稍微移動(dòng)了組件和走線(xiàn)。最后一個(gè)重要的變化是添加通孔以幫助將熱量從電路板底部轉移到頂部并確保良好的電流路徑。電池充電器在充滿(mǎn)電時(shí)會(huì )變熱，電壓調節器也會(huì )變熱。這兩者都比較接近，但我不介意這一點(diǎn)。兩個(gè)設備不應同時(shí)發(fā)熱，因為電池正在從外部電源充電，或者電壓調節器正在提供電流以運行連接的設備。電壓調節器在滿(mǎn)載情況下計算到52℃左右（溫升27℃），不夠熱，不用擔心改變布局或提供更好的散熱路徑。

我認為電路板看起來(lái)不錯 - 充電器之間有間隙的電池看起來(lái)比我希望的要好。我很高興稱(chēng)這個(gè)設計完成了。充電器的 LED 燈沿電路板邊緣清晰可見(jiàn)，電源連接器易于使用。

雖然這是作為獨立的不間斷電源構建的，但您可以使用此設計中的概念為您自己的設備提供電池備份功能。如本文開(kāi)頭所述，設計文件是開(kāi)源的，可在 GitHub 上獲得。通過(guò)一些輕微的組件更改，此設計可以根據您自己的項目的需要進(jìn)行調整，以提供更高的輸出電流或不同的輸出電壓。

LTC4414 是一款非常有趣的 IC，是我過(guò)去幾年看過(guò)的最通用的 OR 控制器/理想二極管控制器 IC。我期待在未來(lái)的項目中嘗試使用其他一些配置。數據表提供了一個(gè)有趣的閱讀范圍，提供了廣泛的應用。