12V DC unterbrechungsfreie Stromversorgung

Ich lebe in einem ländlichen Dorf, das bei starkem Wind oder Stürmen oft nur über eine intermittierende Stromversorgung verfügt. Deshalb sind meine Computer, Server und Netzwerkgeräte alle an relativ kostengünstige, unterbrechungsfreie Stromversorgungen angeschlossen. Diese laufen alle auf versiegelten Blei-Säure-Batterien und sind nicht unbedingt eine effiziente Methode, um ein Gleichstromgerät wie einen Raspberry Pi oder Internetrouter zu betreiben, da der eingehende Wechselstrom eine Gleichstrombatterie lädt, die dann über einen Wechselrichter Wechselstrom erzeugt, welcher einen AC-DC-Wandler antreibt, um das Gleichstromgerät mit Strom zu versorgen. Ich dachte, es wäre interessant, eine kleine USV zu bauen, die speziell für die Stromversorgung meines ADSL-Routers geeignet ist, anstatt eine ganze AC-USV dafür zu verwenden.

Mein ADSL-Router hat eine 12V/1A-Stromversorgung, obwohl er wahrscheinlich intern mit 1,8-3,3V läuft. In diesem Projekt werde ich eine 12V 1A USV erstellen. Wie üblich können Sie die Open-Source-Altium Designer-Projektdateien auf GitHub finden, lizenziert unter der MIT-Lizenz. Diese Lizenz erlaubt es Ihnen im Wesentlichen, mit dem Design zu machen, was Sie möchten. Wenn Sie nach den Bibliotheksdateien suchen, dieses Projekt wurde mit meiner Open Source Altium Designer Library entworfen.

Oberhalb befindet sich das PCB-Design, über das Sie im Altium 365 Viewer lesen werden; eine kostenlose Möglichkeit, sich mit Ihren Kollegen, Kunden und Freunden zu verbinden, mit der Fähigkeit, das Design anzusehen oder mit einem einzigen Klick herunterzuladen! Laden Sie Ihr Design in wenigen Sekunden hoch und haben Sie eine interaktive Möglichkeit, einen detaillierten Blick darauf zu werfen, ohne sperrige Software oder Computerleistung.

Batterien

Blei-Säure-Batterien sind unglaublich kosteneffektiv pro Wattstunde Energie, aber ich möchte etwas moderneres, kompakteres und leichteres bauen. Ich werde meine USV mit zwei 18650 Lithium-Polymer-Zellen betreiben, da sie eine ausgezeichnete Energiedichte, Entladerate und relativ hohe Ladegeschwindigkeit bieten. Wenn Sie Ihr nächstes Projekt mit einer Batterie betreiben möchten, warum werfen Sie nicht einen Blick auf meinen Artikel bei OctoPart über Die Auswahl einer Batteriechemie für Ihr Projekt. Eine 18650-Zelle ist relativ teuer pro Wattstunde im Vergleich zu einer Blei-Säure-Batterie, aber meine USV wird keine große Last darauf haben.

Eine LG MJ1 Zelle hat eine Kapazität von 3500mAh, daher bieten mir zwei in Serie geschaltet eine nominelle 25,9Wh. Es ist nicht viel, aber mit einem 95% effizienten DC-DC-Wandler habe ich etwa 24,6Wh nutzbar, was ungefähr zwei Stunden Laufzeit bei der bewerteten Last von 1A bietet. In Wirklichkeit wird dies wahrscheinlich meinen Router für fünf bis sechs Stunden betreiben.

Ich könnte eine einzelne Zelle verwenden oder zwei Zellen parallel schalten, jedoch erlauben mir die zwei in Serie, einen effizienteren Boost-Wandler zu bauen und bietet viele weitere Optionen für monolithische Boost-Wandler.

Um die Batterien auf der Platine zu montieren, nehme ich den einfachen Weg und verwende zwei Keystone 1043 geformte Batteriehalter. Sie sind günstig genug für mich und halten die Zellen fest. Die günstigeren Methoden, Durchgangsloch-Batterielaschen an jedem Ende der Zelle zu verwenden, würden zusätzlichen Aufwand erfordern, um die Zellen sicher zu halten – wie ein 3D-gedrucktes Gehäuse, das die Arbeit des Keystone 1043 Batteriehalters vollständig übernehmen könnte.

Batterieladegerät

Zum Laden der Batterien werde ich den Skyworks AAT3663IWO-8.4-2-T1 verwenden, ein Zwei-Zellen-LiPo-Ladegerät mit einem 10k NTC-Thermistor-Eingang für thermischen Schutz. Der Thermistor ist in diesem Design möglicherweise nicht besonders nützlich. Er wird kaum eine Batterie berühren, geschweige denn beide – aber es ist eine sehr nützliche Option, wenn man ein Pouch-Zellenpaket verwendet, das einen eingebauten Thermistor hat. Ich werde trotzdem einen Thermistor auf der Platine hinzufügen, aber er wird nur unter einer Zelle montiert.

Der AAT3663 ermöglicht das Laden der beiden Zellen in Serie mit bis zu 1A, was mir eine Ladezeit von etwa 3 Stunden gibt. Das ist viel besser, als ich von einer Blei-Säure-Batterie bekommen würde, die bis zu 24 Stunden dauern könnte. Die schnelle Ladezeit gleicht die relativ geringe Kapazität der Zellen in meinem UPS-Design etwas aus, da es viele kurze, intermittierende Stromausfälle an einem stürmischen Tag aufgrund der kurzen Erholungszeit bewältigen kann.

Das Schaltbild ist sehr einfach zu implementieren, und alles basiert ziemlich genau auf den vom Datenblatt empfohlenen Werten – es gibt nicht viel zu überlegen. Der ISET-Widerstand R5 legt den Strom auf das Maximum von 1A fest. Die LEDs dienen zur Anzeige des Ladezustands.

Idealerweise sollte ein Ladegerät für zwei Zellen die Zellen ausgleichen und sicherstellen, dass eine Zelle nicht überladen wird. Eine überladene/überspannte Zelle könnte eine Brandgefahr darstellen, daher ist dies ein wichtiger Punkt. Die Zellen, die ich zu verwenden plane, sind ziemlich gut aufeinander abgestimmt, daher wird es nur erforderlich sein, dass ich alle paar Monate manuell die Zellspannungen überprüfe oder sie herausnehme, um sie auf einem meiner „extravaganteren“ Ladegeräte auszugleichen. Ich konnte keine gute kostengünstige Option für ein ausgleichendes Zwei-Zellen-Lithium-Ionen-Batterieladegerät in den Optionen finden, die ich mir angesehen habe, also wenn Sie eine großartige Teilenummer haben, hinterlassen Sie einen Kommentar zum Artikel mit Ihrem Vorschlag!

Battery Failover Controller

Es gibt mehrere Möglichkeiten, eine Batterieausfallsicherung zu bieten; jedoch halte ich die eleganteste Lösung für den Analog Devices LTC4414. Wenn er mit Batterie betrieben wird, bietet dies die konfiguration mit den geringsten Verlusten, indem die Batterie durch einen P-Kanal-MOSFET heiß ausgetauscht wird. Der LTC4414 ist ein unglaublich vielseitiger IC, der alle Arten von Konfigurationen für Lastteilung und redundante Versorgungen ermöglicht. Es ist ein IC, auf dessen Einsatz ich mich in anderen Projekten in der Zukunft freue.

Das ist nicht die perfekte Lösung. Sie hat jedoch einige Nachteile – wenn sie über den mit dem Router gelieferten AD-DC-Wandler betrieben wird, führt das Schema diesen Eingang durch eine Diode, die einen Spannungsabfall verursacht und Verluste als Wärme erzeugt. Die Diode, die ich gewählt habe, hat den niedrigsten Vorwärtsspannungsabfall aller SMA-Dioden für ihre Strom- und Spannungsbewertung, die ich bei den Lieferanten, die ich nutze, finden konnte. Mein Router funktioniert auch weit unter 12V, daher wird dieser kleine Spannungsabfall für meine Anwendung kein Problem darstellen. Andere verfügbare Topologieoptionen würden einen P-Kanal-MOSFET für die externe Versorgung verwenden, was diesen Spannungsabfall beseitigen würde. Allerdings habe ich diese Topologie nicht mit einem Batterieladegerät getestet, daher spiele ich auf Nummer sicher, indem ich das verwende, was ich testen konnte.

Ein weiterer Nachteil ist, dass die externe Eingangsspannung (die netzbetriebene Versorgung) mindestens 20mV höher sein muss als die Ausfallsicherungsversorgung, damit sie die externe Versorgung nutzen kann. Wenn die Spannung aus der Netzversorgung absinkt, beginnt sie tatsächlich mit der Batterieunterstützung Lasten zu teilen, um die Spannung zu stabilisieren. Dies könnte in anderen Projekten eine sehr nützliche Funktion sein, aber für dieses Projekt ist sie wahrscheinlich nicht von großem Nutzen. Ich habe dies mit meinem Labornetzteil ausprobiert, und der IC, den ich getestet habe, begann das Gate zu aktivieren, sobald die redundante Versorgung innerhalb von 20mV der externen Versorgung war.

VEXT ist die externe Spannungsversorgung und VREG ist die erhöhte Batteriespannung.

Ich verwende einen JST PH-Stecker für den Ausgang, da ich leicht einen JST PH (oder KR, der kompatibel ist) auf Barrel-Jack-Stecker bekommen kann, um ihn an meinen Router anzuschließen.

Boost-Regler

Wie ich oben erwähnt habe, muss die externe Eingangsspannung mindestens 20mV höher sein als die Spannung der redundanten Versorgung. Deshalb werde ich keinen 12V-Regler bauen. Stattdessen werde ich einen 11,75V-Regler bauen. Sie denken wahrscheinlich: "Nun, das ist 250mV niedriger als die Ausgangsspannung, sicherlich können Sie das besser machen?" Nun, das dachte ich auch, aber nach etwa 10 Minuten des Spielens mit den Widerstandswerten entschied ich, dass 11,75V gut genug wären. Ich verwende den Analog Devices LT8362 für einen Boost-Controller, und er hat einen 1,6V Feedback- und Unterspannungs-Sperr-Eingang, was ein wenig unstandard ist. Das Beste, was ich ohne Toleranzen bei den Widerständen, die mich zu nah an 11,98V bringen würden, erreichen konnte, war 11,75V oder die Verwendung von 0,1% oder 0,5% Widerständen mit anständigen Widerstandswerten. Also baue ich einen 11,75V-Regler für die redundante Versorgung! Dies sollte auch einen Spannungsabfall am gelieferten AC-DC-Regler zulassen und etwas Spielraum für die Toleranz der Wandversorgung bieten.

Dieses Design simuliert eine Effizienz von 95% bei einer Schaltfrequenz von 500kHz. Ich könnte ein sehr kleines bisschen mehr Effizienz gewinnen, indem ich auf die minimale Unterstützungsfrequenz des Geräts von 300kHz heruntergehe; jedoch würde dann die Induktivität zu groß für meine Ziel-Platinengröße. Das Betreiben bei einer niedrigeren Frequenz bietet nur einen kleinen Effizienzgewinn, daher ist der Kompromiss für eine etwas kleinere Größe es mir wert.

Ich habe die Unterspannungssperre auf 6,4V eingestellt, sodass, wenn die Zellen in einem relativ niedrigen, aber noch sicheren Entladungszustand sind, der Regler aufhört, Leistung zu liefern. Ich möchte nicht, dass eine der Zellen unter 2,9V (5,8V in Serie) fällt, und 3,2V wird als sicherer Punkt zum Entladen einer Lithium-Ionen-Zelle angesehen. Die Batterien, die ich verwende, haben keinen eingebauten Zellschutz, daher ist es ziemlich wichtig, dass der Regler sich selbst abschaltet, sobald die Batteriespannung den minimal sicheren Punkt erreicht.

Ich habe es nicht für notwendig gehalten, den Regler zu deaktivieren, wenn die externe Stromversorgung angeschlossen ist, und der Regler ist immer eingeschaltet und jederzeit bereit für ein Failover-Szenario. Beim Testen des Designs der Werkbank war der Wechsel von einer Versorgung zur anderen augenblicklich und ohne Spannungsabfall, selbst bei einer Last von 200mA und ohne Ausgangskapazität. Ein ständig eingeschalteter Regler stellt sicher, dass die USV im Nanosekundenbereich bereit ist, die externe Versorgung zu übernehmen oder zu ergänzen, falls deren Spannung unter Last zu sinken beginnt. Da die Batterie immer dann nachgeladen wird, wenn die externe Versorgung angeschlossen ist, mache ich mir keine Sorgen über die Ineffizienz, den Regler ohne Last eingeschaltet zu lassen.

PCB-Design

Ich habe einen bestimmten Platz, an dem ich diese USV anbringen möchte, daher versuche ich, das Design auf 100mm x 50mm zu beschränken. Ich könnte leicht schummeln und die Batterien auf der Unterseite der Platine anbringen, was mir viel Platz auf der Oberseite für alle Komponenten geben würde. Allerdings muss ich zugeben, dass mir das Aussehen der Batterien und Komponenten auf einer Seite gefällt! Ich mag es, Layouts in kompakten Bereichen zu erstellen, es ist immer eine interessante Herausforderung, das Layout und die Verdrahtung vorzunehmen, ohne zu viele Kompromisse beim Design einzugehen!

Nach ein wenig Herumprobieren habe ich die Platine ungefähr so angeordnet, dass sie für mich größtenteils Sinn ergibt. Die größte Herausforderung ist die relativ riesige Induktivität für den 11,75V-Regler. Das Layout des Reglers wird durch den Pinout des ICs und die Notwendigkeit bestimmt, die Größe der Stromschleife so weit wie möglich zu reduzieren, daher gibt es wirklich nur zwei Möglichkeiten, wie der Regler angeordnet werden kann – so wie er ist oder um 180 Grad gedreht.

Mit der Position des Laderegler-ICs am oberen Rand der Platine war ich nicht wirklich zufrieden; es gibt dort oben nicht viel Fläche für Kupfer-Heatsinking. Mir wurde auch klar, dass die Batterien getauscht werden sollten, sodass der positive Pol am nächsten zum Eingang der Schaltnetzteilversorgung liegt. Den Spannungsregler zwischen den beiden Zellen zu haben, verbesserte das Layout für das Batterieladegerät und den Regler. Ursprünglich hatte ich den positiven Pol zum oberen Rand der Leiterplatte hin ausgerichtet, um die Entfernung zum Ladegerät zu optimieren, das ich zuerst auf der Platine platziert hatte. Dies erhöhte jedoch die Entfernung zum Spannungsregler und bot keinen großartigen Strompfad vom positiven Pol zum Reglereingang. Die neu angeordnete Platine ist viel besser, und ich bin damit zufrieden.

Das Bauteil unter dem Batteriehalter ist der NTC-Thermistor, um das Laden zu beenden, falls die Batterie zu heiß wird, oder um die Batterie sehr langsam zu laden, falls die Zelle zu kalt ist. Wie ich früher im Artikel erwähnt habe, wird es wahrscheinlich keinen übermäßig effektiven Schutz bieten. Es kann nur eine Batteriezelle erfassen und hat nicht einmal einen guten Kontakt für diese Aufgabe. Beim Entwerfen des Schaltplans habe ich darüber nachgedacht, ob ich den Thermistor einbeziehen soll oder nicht, aber ich dachte, es ist wahrscheinlich besser, ineffizienten Schutz zu haben als überhaupt keinen.

Ich füge nur eine Massefläche um die Komponenten herum hinzu, es gibt keinen Grund, Kupferfläche über den Rest der Platine zu haben, außer um Ihren Platinenhersteller glücklich zu machen (weniger Chemikalienverbrauch). So oder so wird es elektrisch für dieses Design kaum einen Unterschied machen.

Mit dem vollständig verlegten Design mussten nicht viele Kompromisse eingegangen werden, um alles unterzubringen. Die Platine ist gerade lang genug, um den Spannungsregler einzupassen, mit einem ordentlichen Layout und ausreichendem Weg, damit die Wärme abgeleitet werden kann.

Das Routing ist abgeschlossen, ich habe lediglich die Komponenten und Leiterbahnen ein wenig verschoben. Die letzte, aber wichtige Änderung besteht darin, Vias hinzuzufügen, um die Wärme von der Unterseite der Platine nach oben zu leiten und einen guten Strompfad zu gewährleisten. Der Batterieladeregler wird warm, wenn er mit voller Ladestromstärke arbeitet, ebenso wie der Spannungsregler. Diese befinden sich beide relativ nah beieinander, aber das stört mich nicht. Es sollte keine Situation geben, in der beide Geräte gleichzeitig Wärme erzeugen, da entweder die Batterie von der externen Stromquelle geladen wird oder der Spannungsregler Strom liefert, um das angeschlossene Gerät zu betreiben. Der Spannungsregler erreicht unter Vollast etwa 52°C (27°C Temperaturanstieg), was nicht heiß genug ist, um sich Gedanken über eine Änderung des Layouts oder die Bereitstellung eines besseren Wärmeableitungspfads zu machen.

Ich denke, die Platine sieht gut aus – die Zellen mit einem Abstand zwischen ihnen für das Ladegerät sehen besser aus, als ich gehofft hatte. Ich bin froh, dieses Design als abgeschlossen zu betrachten. Die LEDs des Ladegeräts werden schön sichtbar am Rand der Platine sein, und die Stromanschlüsse sind einfach zu verwenden.

Schließlich

Während dies als eigenständige unterbrechungsfreie Stromversorgung gebaut ist, können Sie die Konzepte innerhalb dieses Designs nutzen, um Ihren eigenen Geräten eine Batterie-Backup-Fähigkeit zu verleihen. Die Design-Dateien sind Open Source und auf GitHub verfügbar, wie zu Beginn des Artikels erwähnt. Mit einigen geringfügigen Komponentenänderungen könnte dieses Design angepasst werden, um einen höheren Ausgangsstrom oder eine andere Ausgangsspannung zu liefern, wie es Ihr eigenes Projekt erfordert.

Der LTC4414 ist ein sehr interessanter IC, bei weitem der vielseitigste OR-Controller/Idealdiode-Controller-IC, den ich in den letzten Jahren betrachtet habe. Ich freue mich darauf, ihn in zukünftigen Projekten mit einigen anderen Konfigurationen auszuprobieren. Das Datenblatt ist mit der breiten Palette an vorgestellten Anwendungen eine interessante Lektüre.

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