Fuente de Alimentación Ininterrumpida de 12V DC

Vivo en un pueblo rural que tiende a tener cortes intermitentes de energía cuando hay vientos fuertes o tormentas. Debido a esto, mis computadoras, servidores y equipos de red están todos conectados a sistemas de alimentación ininterrumpida de bajo costo. Todos funcionan con baterías de ácido plomo selladas y no son una forma muy eficiente de alimentar un dispositivo de CC como una Raspberry Pi o un router de internet, ya que la corriente alterna de entrada carga una batería de CC, que luego crea energía de CA a través de un inversor, el cual alimenta un convertidor de CA a CC para proporcionar energía al dispositivo de CC. Pensé que sería interesante hacer un pequeño SAI adecuado para alimentar mi router ADSL, en lugar de tener un SAI de CA completo dedicado a él.

Mi router ADSL tiene una alimentación de 12V/1A, a pesar de que probablemente funcione internamente a 1.8-3.3v. En este proyecto, estaré creando un SAI de 12V 1A. Como de costumbre, puedes encontrar los archivos del proyecto de código abierto de Altium Designer en GitHub, bajo la licencia MIT. Esta licencia esencialmente te permite hacer lo que quieras con el diseño. Si estás buscando los archivos de la biblioteca, este proyecto fue diseñado con mi Biblioteca de Diseño de Altium Designer de Código Abierto.

Arriba está el diseño de PCB sobre el que leerás en el Visor de Altium 365; ¡una forma gratuita de conectarte con tus compañeros de trabajo, clientes y amigos con la capacidad de ver el diseño o descargarlo con un solo clic! Sube tu diseño en cuestión de segundos y ten una manera interactiva de echar un vistazo en profundidad sin necesidad de software pesado o potencia informática.

Baterías

Las baterías de plomo-ácido son increíblemente rentables por vatio-hora de energía, pero quiero construir algo un poco más moderno, compacto y ligero. Alimentaré mi UPS con dos celdas de polímero de litio 18650, ya que ofrecen una excelente densidad de potencia, tasa de descarga y carga de alta velocidad relativamente. Si estás buscando alimentar tu próximo proyecto con una batería, ¿por qué no echas un vistazo a mi artículo en OctoPart sobre Elegir una Química de Batería para Tu Proyecto? Una celda 18650 es relativamente cara por vatio-hora en comparación con una batería de plomo-ácido, pero mi UPS no tendrá una carga enorme sobre ella.

Una celda LG MJ1 tiene una capacidad de 3500mAh, por lo que dos en serie me proporcionan un nominal de 25.9Wh. No es mucho, pero con un convertidor DC-DC eficiente del 95%, tendré alrededor de 24.6Wh utilizables ofreciendo aproximadamente dos horas de tiempo de funcionamiento con la carga nominal de 1A. En realidad, esto probablemente mantendrá mi router funcionando durante cinco a seis horas.

Podría usar una sola celda, o dos celdas en paralelo, sin embargo, las dos en serie me permiten construir un convertidor elevador más eficiente y ofrece muchas más opciones para convertidores elevadores monolíticos.

Para montar las baterías en la placa, estoy tomando el camino fácil y usando dos portapilas moldeados Keystone 1043. Son lo suficientemente baratos para mí y sujetan las celdas firmemente. Las formas más baratas de usar pestañas de batería pasantes en cada extremo de la celda requerirían un esfuerzo adicional para mantener las celdas en su lugar de forma segura, como una carcasa impresa en 3D que haría el trabajo que el portapilas Keystone 1043 es totalmente capaz de hacer.

Cargador de Batería

Para cargar las baterías, utilizaré el Skyworks AAT3663IWO-8.4-2-T1, un cargador de dos celdas LiPo con una entrada de termistor NTC de 10k para protección térmica. El termistor puede no ser particularmente útil en este diseño. No llegará a tocar una batería, y mucho menos ambas, pero es una opción muy útil cuando se usa un paquete de celdas tipo pouch que tiene un termistor incorporado. Aún así, agregaré un termistor a la placa, pero solo se montará debajo de una celda.

El AAT3663 permite cargar las dos celdas en serie hasta 1A, lo que me dará un tiempo de recarga de aproximadamente 3 horas. Esto es mucho mejor de lo que obtendría de una batería de plomo-ácido, que podría ser de hasta 24hrs. El rápido tiempo de recarga compensa de alguna manera la capacidad relativamente baja de las celdas en mi diseño de UPS, permitiéndole manejar muchos cortes de energía cortos e intermitentes en un día tormentoso debido al corto tiempo de recuperación.

El esquemático es muy simple de implementar, y todo es prácticamente solo los valores recomendados en la hoja de datos, no hay mucho en qué pensar para esto. La resistencia ISET R5 establece la corriente al máximo de 1A. Los LED son para mostrar el estado de carga.

Idealmente, un cargador de dos celdas debería equilibrar las celdas y asegurar que una celda no se sobrecargue. Una celda sobrecargada/sobre-voltada podría ser un peligro de incendio, así que es algo de lo que hay que estar consciente. Las celdas que planeo usar están bastante bien emparejadas, así que esto solo requerirá que revise manualmente los voltajes de las celdas cada dos meses o así, o que las saque para equilibrarlas en uno de mis cargadores ‘más sofisticados’. No pude encontrar una buena opción de bajo costo para un cargador de batería de litio de dos celdas con balanceo en las opciones que miré, así que si tienes un buen número de parte, ¡deja un comentario en el artículo con tu sugerencia!

Controlador de Conmutación por Fallo de Batería

Hay múltiples maneras de proporcionar una conmutación por fallo a una batería; sin embargo, siento que la solución más elegante es el Analog Devices LTC4414. Cuando funciona con batería, esto proporciona la configuración de menor pérdida mediante el intercambio en caliente de la batería a través de un MOSFET de canal P. El LTC4414 es un CI increíblemente versátil que permite todo tipo de configuraciones para compartir carga y suministros redundantes, es un CI que estoy deseando usar en otros proyectos en el futuro.

Esta no es la solución perfecta. Sin embargo, tiene algunas desventajas: al funcionar con el conversor AD-DC que se incluyó con el router, el esquemático tiene esta entrada pasando por un diodo que proporciona una caída de voltaje y pérdidas como calor. El diodo que he elegido tiene la caída de voltaje directo más baja de cualquier diodo SMA para su corriente y calificación de voltaje que pude encontrar en los proveedores que uso. Mi router sigue funcionando bien por debajo de 12V, por lo que esta pequeña caída de voltaje no será un problema para mi aplicación. Otras opciones de topología disponibles utilizarían un MOSFET de canal P para la fuente externa, lo que eliminaría esta caída de voltaje. Sin embargo, no probé esa topología con un cargador de baterías, así que estoy jugando a lo seguro utilizando lo que pude probar.

La otra desventaja es que la entrada externa (el suministro alimentado por la red) debe tener un potencial al menos 20mV más alto que el suministro de respaldo para que utilice el suministro externo. Si el voltaje cae desde el suministro de la pared, en realidad comenzará a compartir carga con la batería de respaldo para estabilizar el voltaje. Esto podría ser una característica muy útil en otros proyectos, pero probablemente no será de mucha utilidad para este proyecto. Experimenté con esto usando mi fuente de alimentación de laboratorio, y el IC que estaba probando comenzó a habilitar la compuerta tan pronto como el suministro redundante estaba dentro de 20mV del suministro externo.

VEXT es el suministro de voltaje externo, y VREG es el voltaje de la batería aumentado.

Estoy usando un conector JST PH para la salida, ya que puedo conseguir fácilmente un conector de JST PH (o KR, que es compatible) a jack de barril para enchufarlo a mi router.

Regulador Elevador

Como mencioné anteriormente, el voltaje de entrada externo necesita ser al menos 20mV más alto que el voltaje de la fuente redundante. Por lo tanto, no voy a construir un regulador de 12V. En su lugar, voy a construir un regulador de 11.75V. Probablemente estés pensando, 'bueno, eso es 250mV menos que la salida, seguramente puedes hacerlo mejor que eso?' Bueno, yo también lo pensé, pero después de unos 10 minutos jugando con los valores de los resistores, decidí que 11.75V sería suficiente. Estoy usando el LT8362 de Analog Devices para un controlador de aumento, y tiene una entrada de retroalimentación de 1.6V y bloqueo por bajo voltaje que es un poco no estándar. Lo mejor que pude obtener sin que las tolerancias en los resistores me acercaran demasiado a 11.98V fue 11.75V o usando resistores de 0.1% o 0.5% con valores de resistencia decentes. ¡Así que estoy construyendo un regulador de 11.75V para la fuente redundante! Esto también debería permitir una caída de voltaje en el regulador AC-DC suministrado y cierta tolerancia para el suministro de pared.

Este diseño simula ser eficiente en un 95% a una frecuencia de conmutación de 500kHz. Podría ganar un poco más de eficiencia si redujera la frecuencia al mínimo de 300kHz que soporta el dispositivo; sin embargo, el inductor entonces se vuelve demasiado grande para el tamaño de placa objetivo. Operar a una frecuencia más baja solo proporciona una pequeña ganancia de eficiencia, así que el compromiso por un tamaño ligeramente menor vale la pena para mí.

Tengo el bloqueo por bajo voltaje configurado a 6.4V, así que cuando las celdas están en un estado de descarga relativamente bajo, pero aún seguro, el regulador dejará de proporcionar energía. No querría que ninguna de las celdas bajara de 2.9V (5.8V en serie), y 3.2V se considera un punto seguro para descargar una celda de ion de litio. Las baterías que estoy usando no tienen protección de celda incorporada, por lo que es bastante importante que el regulador se apague por sí mismo una vez que el voltaje de la batería alcance el punto seguro mínimo.

No me he molestado en desactivar el regulador cuando la fuente de alimentación externa está presente, y el regulador siempre está encendido y siempre listo para un escenario de fallo. Al probar el diseño del banco, el cambio de una fuente a otra fue instantáneo y sin caída de voltaje, incluso con una carga de 200mA y sin capacitancia de salida. Tener un regulador siempre encendido asegurará que el UPS esté listo en un nanosegundo para tomar el control o complementar la fuente externa si su voltaje comienza a caer bajo carga. Con la batería siendo cargada lentamente siempre que la fuente externa esté conectada, no me preocupa la ineficiencia de mantener el regulador encendido sin carga.

Diseño de PCB

Tengo un lugar particular donde quiero poner este UPS, así que estoy tratando de mantener el diseño a 100mm x 50mm. Fácilmente podría hacer trampa y poner las baterías en la parte inferior de la placa, dándome mucho espacio en la parte superior para todos los componentes. Sin embargo, tengo que admitir que me gusta la apariencia de las baterías y componentes en un solo lado. ¡Me gusta hacer diseños en áreas compactas, siempre es un desafío interesante diseñar y trazar sin hacer demasiados sacrificios al diseño!

Después de jugar un poco, tengo la placa aproximadamente dispuesta de una manera que tiene sentido para mí en su mayoría. El mayor desafío es el inductor relativamente gigantesco para el regulador de 11.75V. La disposición del regulador está determinada por el diseño de los pines del IC y la necesidad de reducir el tamaño del bucle de corriente tanto como sea posible, así que realmente solo hay dos maneras en que el regulador puede ser dispuesto—tal como está, o rotado 180 grados.

No estaba realmente contento con la ubicación del IC del cargador contra el borde superior de la placa; no hay mucha área para la disipación de calor en cobre allí. También me di cuenta de que las baterías deberían intercambiarse, de modo que el terminal positivo esté más cerca de la entrada de la fuente de alimentación conmutada. Tener el regulador de voltaje entre las dos celdas mejoró la disposición para el cargador de baterías y el regulador. Originalmente, había colocado el terminal positivo hacia el borde superior de la PCB para optimizar la distancia al cargador, que había colocado primero en la placa. Sin embargo, esto aumentó la distancia al regulador de voltaje y no proporcionó un buen camino de corriente desde el terminal positivo hasta la entrada del regulador. La placa reorganizada es mucho mejor, y estoy contento con ella.

El componente debajo del portapilas es el termistor NTC para terminar la carga si la batería se calienta demasiado o para cargar la batería muy lentamente si la celda está demasiado fría. Como mencioné anteriormente en el artículo, probablemente no será una protección excesivamente efectiva. Solo puede detectar una celda de batería y ni siquiera tiene un buen contacto para ese trabajo. Al diseñar el esquemático, debatí si incluir o no el termistor, pero pensé que probablemente es mejor tener una protección ineficiente que no tener ninguna en absoluto.

Solo estoy añadiendo un plano de masa alrededor de los componentes, no hay razón para tener un relleno de cobre sobre el resto de la placa aparte de mantener contento al fabricante de la placa (menos uso de químicos). De cualquier manera, no hará mucha diferencia eléctricamente a este diseño.

Con el diseño completamente enrutado, no hubo muchos sacrificios que hacer para encajar todo. La placa es lo suficientemente larga para ajustar el regulador de voltaje, con un diseño decente y una ruta suficiente para que el calor se disipe.

Ruteo terminado, solo reorganicé los componentes y las pistas un poco. El cambio final pero importante es añadir vías para ayudar a mover el calor de la parte inferior de la placa a la superior y asegurar un buen camino para la corriente. El cargador de baterías se calentará cuando esté a la corriente de carga completa, al igual que el regulador de voltaje. Ambos están relativamente cerca uno del otro, pero esto no me preocupa. No debería haber un momento en el que ambos dispositivos generen calor simultáneamente, ya que o bien la batería se está cargando desde la fuente de alimentación externa o el regulador de voltaje está suministrando corriente para alimentar el dispositivo conectado. El regulador de voltaje calcula unos 52c (aumento de temperatura de 27c) bajo carga completa, lo cual no es lo suficientemente caliente como para preocuparse por cambiar el diseño o proporcionar un mejor camino para la disipación del calor.

Creo que la placa se ve bien—las celdas con un espacio entre ellas para el cargador se ven mejor de lo que esperaba. Estoy feliz de considerar este diseño como completo. Los LEDs del cargador serán bien visibles a lo largo del borde de la placa, y los conectores de energía son fáciles de usar.

Finalmente

Aunque esto está construido como una fuente de alimentación ininterrumpida independiente, puedes utilizar los conceptos dentro de este diseño para proporcionar una capacidad de respaldo de batería a tus propios dispositivos. Los archivos de diseño son de código abierto y están disponibles en GitHub, como se mencionó al inicio del artículo. Con algunos cambios leves en los componentes, este diseño podría adaptarse para proporcionar una corriente de salida mayor o un voltaje de salida diferente según lo requiera tu propio proyecto.

El LTC4414 es un CI muy interesante, de lejos el controlador de OR/controlador de diodo ideal más versátil que he examinado en los últimos años. Estoy deseando probarlo con algunas otras configuraciones en proyectos futuros. La hoja de datos es una lectura interesante con la amplia gama de aplicaciones presentadas.

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