Alimentation sans interruption 12V DC

Je vis dans un village rural qui a tendance à subir des coupures de courant intermittentes lorsqu'il y a des vents forts ou des tempêtes. À cause de cela, mes ordinateurs, serveurs et équipements réseau sont tous connectés à des alimentations sans interruption relativement bon marché. Elles fonctionnent toutes sur des batteries au plomb scellées et ne constituent pas un moyen particulièrement efficace d'alimenter un appareil DC tel qu'un Raspberry Pi ou un routeur internet puisque le courant alternatif du secteur charge une batterie DC, qui crée ensuite du courant alternatif via un onduleur, alimentant un convertisseur AC-DC pour fournir de l'énergie à l'appareil DC. J'ai pensé qu'il serait intéressant de fabriquer une petite UPS adaptée pour alimenter mon routeur ADSL, plutôt que d'avoir une UPS AC entière dédiée à cela.

Mon routeur ADSL a une alimentation de 12V/1A, malgré le fait qu'il fonctionne probablement à 1.8-3.3v en interne. Dans ce projet, je vais créer une UPS de 12V 1A. Comme d'habitude, vous pouvez trouver les fichiers de projet open source Altium Designer sur GitHub, sous licence MIT. Cette licence vous permet essentiellement de faire ce que vous voulez avec la conception. Si vous recherchez les fichiers de bibliothèque, ce projet a été conçu avec ma Bibliothèque Open Source Altium Designer.

Voici le design de PCB dont vous allez lire dans le Altium 365 Viewer ; une manière gratuite de se connecter avec vos collègues, clients et amis avec la possibilité de visualiser le design ou de le télécharger en un seul clic ! Téléchargez votre design en quelques secondes et bénéficiez d'une manière interactive de l'examiner en profondeur sans logiciel encombrant ni puissance informatique.

Les batteries

Les batteries au plomb sont incroyablement rentables par watt-heure d'énergie, mais je souhaite construire quelque chose d'un peu plus moderne, compact et léger. Je vais alimenter mon UPS avec deux cellules lithium polymère 18650, car elles offrent une excellente densité de puissance, un taux de décharge et une recharge relativement rapide. Si vous cherchez à alimenter votre prochain projet avec une batterie, pourquoi ne pas jeter un œil à mon article sur OctoPart à propos de Choisir une Chimie de Batterie pour Votre Projet. Une cellule 18650 est relativement chère par watt-heure comparée à une batterie au plomb, mais mon UPS n'aura pas une énorme charge dessus.

Une cellule LG MJ1 a une capacité de 3500mAh, donc deux en série me fournissent une puissance nominale de 25,9Wh. Ce n'est pas beaucoup, mais avec un convertisseur DC-DC efficace à 95%, j'aurai environ 24,6Wh utilisables offrant environ deux heures d'autonomie à la charge nominale de 1A. En réalité, cela devrait probablement alimenter mon routeur pendant cinq à six heures.

Je pourrais utiliser une seule cellule, ou deux cellules en parallèle, cependant, les deux en série me permettent de construire un convertisseur boost plus efficace et offrent beaucoup plus d'options pour les convertisseurs boost monolithiques.

Pour monter les batteries sur la carte, je prends la voie facile et utilise deux porte-piles moulés Keystone 1043. Ils sont assez bon marché pour moi et maintiennent les cellules fermement. Les moyens moins chers d'utiliser des pattes de batterie traversantes à chaque extrémité de la cellule nécessiteraient un effort supplémentaire pour maintenir les cellules en place de manière sécurisée, comme un boîtier imprimé en 3D qui ferait le travail que le porte-pile Keystone 1043 est tout à fait capable de faire.

Chargeur de Batterie

Pour charger les batteries, je vais utiliser le Skyworks AAT3663IWO-8.4-2-T1, un chargeur LiPo à deux cellules avec une entrée de thermistance NTC de 10k pour la protection thermique. La thermistance pourrait ne pas être particulièrement utile dans cette conception. Elle ne touchera pas vraiment une batterie, sans parler des deux, mais c'est une option très utile lors de l'utilisation d'un pack de cellules en poche qui possède une thermistance intégrée. Je vais quand même ajouter une thermistance à la carte, mais elle ne sera montée que sous une cellule.

Le AAT3663 permet de charger les deux cellules en série jusqu'à 1A, ce qui me donnera environ 3 heures de temps de recharge. C'est bien mieux que ce que je pourrais obtenir avec une batterie au plomb, qui pourrait aller jusqu'à 24h. Le temps de recharge rapide compense quelque peu la capacité relativement faible des cellules dans ma conception d'UPS, lui permettant de gérer de nombreuses coupures de courant courtes et intermittentes lors d'une journée orageuse en raison du court temps de récupération.

Le schéma est très simple à mettre en œuvre, et tout repose pratiquement sur les valeurs recommandées par la fiche technique - il n'y a pas grand-chose à penser pour cela. La résistance ISET R5 définit le courant au maximum de 1A. Les LED servent à afficher l'état de charge.

Idéalement, un chargeur pour deux cellules devrait équilibrer les cellules et s'assurer qu'une cellule ne soit pas surchargée. Une cellule surchargée/survoltée pourrait représenter un risque d'incendie, donc c'est quelque chose dont il faut être conscient. Les cellules que je prévois d'utiliser sont assez bien appariées, donc cela nécessitera juste de ma part de vérifier les tensions des cellules manuellement tous les deux mois environ, ou de les sortir pour les équilibrer sur l'un de mes chargeurs « plus sophistiqués ». Je n'ai pas pu trouver une bonne option à faible coût pour un chargeur de batterie lithium-ion à deux cellules avec équilibrage dans les options que j'ai examinées, donc si vous avez un excellent numéro de pièce, laissez un commentaire sur l'article avec votre suggestion !

Contrôleur de basculement de batterie

Il existe plusieurs façons de fournir un basculement à une batterie ; cependant, je trouve que la solution la plus élégante est l'Analog Devices LTC4414. Lorsqu'il fonctionne sur batterie, cela fournit la configuration à la plus faible perte en insérant la batterie à chaud via un MOSFET à canal P. Le LTC4414 est un CI incroyablement polyvalent permettant toutes sortes de configurations pour le partage de charge et les alimentations redondantes, c’est un CI que j’ai hâte d’utiliser dans d’autres projets à l’avenir.

Ce n'est pas la solution parfaite. Cependant, elle présente quelques inconvénients : lorsqu'elle est alimentée par le convertisseur AD-DC inclus avec le routeur, le schéma montre que cette entrée passe par une diode qui provoque une chute de tension et des pertes sous forme de chaleur. La diode que j'ai choisie a la plus faible chute de tension directe parmi toutes les diodes SMA pour son courant et sa tension nominale que j'ai pu trouver chez les fournisseurs que j'utilise. Mon routeur continue de fonctionner bien en dessous de 12V, donc cette petite chute de tension ne sera pas un problème pour mon application. D'autres options de topologie disponibles utiliseraient un MOSFET à canal P pour l'alimentation externe, ce qui éliminerait cette chute de tension. Cependant, je n'ai pas testé cette topologie avec un chargeur de batterie, donc je préfère jouer la sécurité en utilisant ce que j'ai pu tester.

L'autre inconvénient est que l'entrée externe (l'alimentation secteur) doit avoir un potentiel d'au moins 20mV plus élevé que l'alimentation de secours pour qu'elle utilise l'alimentation externe. Si la tension chute depuis l'alimentation murale, elle commencera en fait à partager la charge avec la batterie de secours pour stabiliser la tension. Cela pourrait être une fonctionnalité très utile dans d'autres projets, mais cela ne sera probablement pas d'une grande utilité pour ce projet. J'ai expérimenté cela avec mon alimentation de laboratoire, et le CI que je testais commençait à activer la porte dès que l'alimentation redondante était à moins de 20mV de l'alimentation externe.

VEXT est l'alimentation de tension externe, et VREG est la tension de la batterie boostée.

J'utilise un connecteur JST PH pour la sortie, car je peux facilement obtenir un connecteur JST PH (ou KR, qui est compatible) vers jack cylindrique pour le brancher à mon routeur.

Régulateur Boost

Comme je l'ai mentionné ci-dessus, la tension d'entrée externe doit être au moins de 20mV plus élevée que la tension de l'alimentation redondante. Par conséquent, je ne vais pas construire un régulateur de 12V. À la place, je vais construire un régulateur de 11,75V. Vous pensez probablement, 'eh bien, c'est 250mV de moins que la sortie, sûrement que vous pouvez faire mieux que ça ?' Eh bien, je le pensais aussi, mais après environ 10 minutes à jouer avec les valeurs des résistances, j'ai décidé que 11,75V serait suffisant. J'utilise le LT8362 d'Analog Devices pour un contrôleur boost, et il a une entrée de feedback de 1,6V et de verrouillage sous tension qui est un peu non standard. Le meilleur que je pouvais obtenir sans que les tolérances sur les résistances me rapprochent trop de 11,98V était 11,75V ou en utilisant des résistances de 0,1% ou 0,5% avec des valeurs de résistance décentes. Donc, je construis un régulateur de 11,75V pour l'alimentation redondante ! Cela devrait également permettre une chute de tension sur le régulateur AC-DC fourni et une certaine marge pour la tolérance sur l'alimentation murale.

Ce design simule une efficacité de 95% à une fréquence de commutation de 500kHz. Je pourrais gagner un tout petit peu plus d'efficacité en descendant à la fréquence minimale de 300kHz que le dispositif supporte ; cependant, l'inducteur deviendrait alors trop grand pour la taille cible de ma carte. Fonctionner à une fréquence plus basse n'offre qu'un petit gain d'efficacité, donc le compromis pour une taille légèrement plus petite en vaut la peine pour moi.

J'ai réglé le verrouillage sous tension à 6.4V, donc lorsque les cellules sont dans un état de décharge relativement bas, mais toujours sûr, le régulateur cessera de fournir de l'énergie. Je ne voudrais pas que l'une ou l'autre des cellules descende en dessous de 2.9V (5.8V en série), et 3.2V est considéré comme un point sûr pour décharger une cellule lithium-ion. Les batteries que j'utilise n'ont pas de protection de cellule intégrée, donc le fait que le régulateur s'éteigne lui-même une fois que la tension de la batterie atteint le point sûr minimal est assez important.

Je n'ai pas pris la peine de désactiver le régulateur lorsque l'alimentation externe est présente, et le régulateur est toujours activé et prêt pour un scénario de basculement. Lors du test du design du banc, le passage d'une alimentation à l'autre était instantané et sans chute de tension, même avec une charge de 200mA et sans capacité de sortie. Avoir un régulateur toujours activé garantira que l'UPS est prêt à prendre le relais ou à compléter l'alimentation externe si sa tension commence à chuter sous charge, et ce, en une fraction de nanoseconde. Avec la batterie en charge d'entretien chaque fois que l'alimentation externe est connectée, je ne suis pas inquiet de l'inefficacité de garder le régulateur activé sans charge.

Conception de PCB

J'ai un endroit particulier où je veux placer cet UPS, donc j'essaie de maintenir la conception à 100mm x 50mm. Je pourrais facilement tricher et mettre les batteries au bas du circuit, ce qui me donnerait beaucoup d'espace au-dessus pour tous les composants. Cependant, je dois admettre que j'aime l'aspect des batteries et des composants d'un seul côté ! J'aime réaliser des agencements dans des espaces compacts, c'est toujours un défi intéressant de concevoir et de router sans faire trop de sacrifices sur la conception !

Après avoir un peu joué avec, j'ai disposé la carte de manière approximative d'une façon qui a principalement du sens pour moi. Le plus grand défi est l'inducteur relativement gigantesque pour le régulateur de 11,75V. La disposition du régulateur est dictée par le brochage du CI et la nécessité de réduire autant que possible la taille de la boucle de courant, donc il n'y a vraiment que deux manières d'arranger le régulateur : tel qu'il est, ou pivoté de 180 degrés.

Je n'étais pas vraiment satisfait de l'emplacement du CI de charge contre le bord supérieur de la carte ; il n'y a pas beaucoup de surface pour le dissipateur thermique en cuivre là-haut. J'ai également réalisé que les batteries devraient être inversées, de sorte que la borne positive soit la plus proche de l'entrée d'alimentation à découpage. Avoir le régulateur de tension entre les deux cellules a amélioré la disposition pour le chargeur de batterie et le régulateur. À l'origine, j'avais placé la borne positive vers le bord supérieur du PCB pour optimiser la distance jusqu'au chargeur, que j'avais placé en premier sur la carte. Cependant, cela augmentait la distance jusqu'au régulateur de tension et ne fournissait pas un bon chemin de courant de la borne positive à l'entrée du régulateur. La carte réarrangée est bien meilleure, et j'en suis content.

Le composant situé sous le porte-pile est la thermistance NTC pour arrêter la charge si la batterie devient trop chaude ou pour charger la batterie très lentement si la cellule est trop froide. Comme je l'ai mentionné plus tôt dans l'article, cela ne va probablement pas être une protection très efficace. Elle ne peut détecter qu'une seule cellule de batterie, et n'a même pas un bon contact pour ce travail. Lors de la conception du schéma, j'ai hésité à inclure la thermistance ou non, mais j'ai pensé qu'il vaut probablement mieux avoir une protection inefficace que pas de protection du tout.

Je n'ajoute qu'une mise à la terre autour des composants, il n'y a aucune raison d'avoir une couche de cuivre sur le reste de la carte autre que pour rendre votre fabricant de cartes heureux (moins d'utilisation de produits chimiques). De toute façon, cela ne fera pas grande différence électriquement pour cette conception.

Avec le design entièrement routé, il n'y avait pas beaucoup de sacrifices à faire pour tout faire tenir. La carte est juste assez longue pour intégrer le régulateur de tension, avec une disposition décente et un chemin suffisant pour que la chaleur soit conduite.

Le routage terminé, j'ai juste un peu déplacé les composants et les pistes. Le dernier changement important est d'ajouter des vias pour aider à déplacer la chaleur du bas de la carte vers le haut et assurer un bon chemin de courant. Le chargeur de batterie va chauffer lorsqu'il est en charge maximale, tout comme le régulateur de tension. Ces deux éléments sont relativement proches l'un de l'autre, mais cela ne me dérange pas. Il ne devrait pas y avoir de moment où les deux dispositifs génèrent de la chaleur simultanément, car soit la batterie se charge à partir de l'alimentation externe, soit le régulateur de tension fournit du courant pour alimenter le dispositif connecté. Le régulateur de tension monte à environ 52c (hausse de température de 27c) sous pleine charge, ce qui n'est pas assez chaud pour s'inquiéter de modifier l'agencement ou de fournir un meilleur chemin de dissipation de la chaleur.

Je pense que la carte a une bonne allure—les cellules avec un espace entre elles pour le chargeur semblent mieux que ce que j'espérais. Je suis heureux de considérer ce design comme complet. Les LED du chargeur seront bien visibles le long du bord de la carte, et les connecteurs d'alimentation sont faciles à utiliser.

Enfin

Bien que cela soit conçu comme une alimentation sans interruption autonome, vous pouvez utiliser les concepts de ce design pour fournir une capacité de secours par batterie à vos propres dispositifs. Les fichiers de conception sont open source et disponibles sur GitHub, comme mentionné au début de l'article. Avec quelques légères modifications de composants, ce design pourrait être adapté pour fournir un courant de sortie plus élevé ou une tension de sortie différente selon les besoins de votre propre projet.

Le LTC4414 est un CI très intéressant, de loin le contrôleur OR/diode idéale le plus polyvalent que j'ai examiné ces dernières années. J'ai hâte de l'essayer avec d'autres configurations dans des projets futurs. La fiche technique est intéressante à lire avec la large gamme d'applications présentées.

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