Alimentatore Ininterrotto 12V DC

Vivo in un villaggio rurale che tende ad avere interruzioni di corrente intermittenti quando ci sono forti venti o tempeste. A causa di ciò, i miei computer, server e attrezzature di rete sono tutti collegati a gruppi di continuità di costo relativamente basso. Questi funzionano tutti con batterie al piombo sigillate e non sono un modo particolarmente efficiente per alimentare un dispositivo DC come un Raspberry Pi o un router internet poiché la corrente alternata della rete elettrica carica una batteria DC, che poi crea energia AC tramite un inverter, il quale alimenta un convertitore AC-DC per fornire energia al dispositivo DC. Ho pensato che sarebbe stato interessante realizzare un piccolo UPS adatto per alimentare il mio router ADSL, piuttosto che avere un intero UPS AC dedicato ad esso.

Il mio router ADSL ha un'alimentazione da 12V/1A, nonostante probabilmente funzioni internamente a 1.8-3.3v. In questo progetto, creerò un UPS da 12V 1A. Come al solito, potete trovare i file del progetto open source di Altium Designer su GitHub, sotto licenza MIT. Questa licenza permette essenzialmente di fare ciò che si vuole con il design. Se state cercando i file della libreria, questo progetto è stato progettato con la mia Libreria Open Source di Altium Designer.

Ecco il design del PCB di cui leggerai nel Visualizzatore Altium 365; un modo gratuito per connetterti con i tuoi colleghi, clienti e amici con la possibilità di visualizzare il design o scaricarlo con un solo clic! Carica il tuo design in pochi secondi e ottieni un modo interattivo per esaminarlo in dettaglio senza bisogno di software ingombranti o di grande potenza computazionale.

Batterie

Le batterie al piombo sono incredibilmente economiche per wattora di energia, ma voglio costruire qualcosa di un po' più moderno, compatto e leggero. Alimenterò il mio UPS con due celle al litio polimero 18650, poiché offrono un'eccellente densità di potenza, velocità di scarica e ricarica relativamente veloce. Se stai cercando di alimentare il tuo prossimo progetto con una batteria, perché non dare un'occhiata al mio articolo su OctoPart riguardo la Scelta della Chimica di una Batteria per il Tuo Progetto. Una cella 18650 è relativamente costosa per wattora rispetto a una batteria al piombo, ma il mio UPS non avrà un grande carico su di esso.

Una cella LG MJ1 ha una capacità di 3500mAh, quindi due in serie mi forniscono una potenza nominale di 25.9Wh. Non è molto, ma con un convertitore DC-DC efficiente al 95%, avrò circa 24.6Wh utilizzabili che offrono circa due ore di autonomia con il carico nominale di 1A. In realtà, questo probabilmente alimenterà il mio router per cinque-sei ore.

Potrei usare una singola cella, o due celle in parallelo, tuttavia, le due in serie mi permettono di costruire un convertitore boost più efficiente e offrono molte più opzioni per convertitori boost monolitici.

Per montare le batterie sulla scheda, sto prendendo la strada più facile e utilizzando due portabatterie stampati Keystone 1043. Sono abbastanza economici per me e tengono le celle saldamente. Le modalità più economiche di utilizzo dei terminali a foro passante su ciascuna estremità della cella richiederebbero uno sforzo aggiuntivo per mantenere le celle in posizione in modo sicuro—come un involucro stampato in 3D che farebbe il lavoro che il portabatterie Keystone 1043 è pienamente capace di fare.

Caricabatterie

Per caricare le batterie, utilizzerò il Skyworks AAT3663IWO-8.4-2-T1, un caricabatterie LiPo a due celle con ingresso termistore NTC da 10k per la protezione termica. Il termistore potrebbe non essere particolarmente utile in questo progetto. Non toccherà bene una batteria, figuriamoci entrambe, ma è un'opzione molto utile quando si utilizza un pacco batterie a sacchetto che ha un termistore incorporato. Aggiungerò comunque un termistore alla scheda, ma sarà montato solo sotto una cella.

L'AAT3663 consente di caricare le due celle in serie fino a 1A, il che mi darà circa 3 ore di tempo di ricarica. Questo è molto meglio di quanto otterrei da una batteria al piombo, che potrebbe arrivare fino a 24 ore. Il tempo di ricarica rapido compensa in qualche modo la capacità relativamente bassa delle celle nel mio progetto di UPS, permettendogli di gestire molti brevi e intermittenti cali di tensione in una giornata tempestosa a causa del breve tempo di recupero.

Lo schema è molto semplice da implementare, e tutto si basa praticamente sui valori raccomandati nel datasheet—non c'è molto su cui riflettere per questo. La resistenza ISET R5 imposta la corrente al massimo di 1A. I LED servono per visualizzare lo stato di carica.

Idealmente, un caricabatterie a due celle dovrebbe bilanciare le celle e assicurarsi che una cella non venga sovraccaricata. Una cella sovraccaricata/sottoposta a sovratensione potrebbe rappresentare un pericolo di incendio, quindi è qualcosa di cui essere consapevoli. Le celle che sto pianificando di usare sono abbastanza ben abbinate, quindi questo richiederà solo che io controlli manualmente la tensione delle celle ogni due mesi circa, o che le estragga per bilanciarle su uno dei miei caricabatterie "più sofisticati". Non sono riuscito a trovare una buona opzione a basso costo per un caricabatterie bilanciato a due celle agli ioni di litio tra le opzioni che ho esaminato, quindi se avete un ottimo codice prodotto, lasciate un commento all'articolo con il vostro suggerimento!

Controller di Failover per Batterie

Esistono diversi modi per fornire un failover a una batteria; tuttavia, ritengo che la soluzione più elegante sia l'Analog Devices LTC4414. Quando funziona a batteria, questo fornisce la configurazione con le minori perdite scambiando a caldo la batteria attraverso un MOSFET a canale P. L'LTC4414 è un IC incredibilmente versatile che permette tutti i tipi di configurazioni per la condivisione del carico e forniture ridondanti, è un IC che non vedo l'ora di utilizzare in altri progetti in futuro.

Questa non è la soluzione perfetta. Tuttavia, presenta alcuni svantaggi: quando funziona con il convertitore AD-DC incluso con il router, lo schema prevede che questo ingresso passi attraverso un diodo che provoca una caduta di tensione e perdite sotto forma di calore. Il diodo che ho scelto ha la caduta di tensione diretta più bassa tra tutti i diodi SMA per la sua corrente e tensione nominale che sono riuscito a trovare presso i fornitori che uso. Il mio router continua a funzionare ben al di sotto dei 12V, quindi questa piccola caduta di tensione non sarà un problema per la mia applicazione. Altre opzioni di topologia disponibili utilizzerebbero un MOSFET a canale P per l'alimentazione esterna, il che eliminerebbe questa caduta di tensione. Tuttavia, non ho testato quella topologia con un caricabatterie, quindi sto giocando sul sicuro utilizzando ciò che ho potuto testare.

L'altro svantaggio è che l'ingresso esterno (l'alimentazione dalla rete elettrica) deve avere un potenziale almeno di 20mV superiore rispetto all'alimentazione di riserva affinché possa utilizzare l'alimentazione esterna. Se la tensione dalla rete elettrica diminuisce, inizierà effettivamente a condividere il carico con il backup della batteria per stabilizzare la tensione. Questa potrebbe essere una caratteristica molto utile in altri progetti, ma probabilmente non sarà di grande utilità per questo progetto. Ho sperimentato questo utilizzando il mio alimentatore da laboratorio, e il circuito integrato che stavo testando iniziava ad abilitare il gate non appena l'alimentazione ridondante era entro 20mV dall'alimentazione esterna.

VEXT è l'alimentazione esterna, e VREG è la tensione della batteria potenziata.

Sto utilizzando un connettore JST PH per l'uscita, poiché posso facilmente ottenere un connettore da JST PH (o KR, che è compatibile) a jack cilindrico per collegarlo al mio router.

Regolatore Step-Up

Come ho menzionato sopra, la tensione di ingresso esterna deve essere almeno di 20mV più alta rispetto alla tensione dell'alimentazione ridondante. Pertanto, non costruirò un regolatore da 12V. Invece, costruirò un regolatore da 11,75V. Probabilmente stai pensando, 'beh, questo è 250mV più basso dell'uscita, sicuramente puoi fare di meglio, no?' Beh, lo pensavo anch'io, ma dopo circa 10 minuti a giocare con i valori delle resistenze, ho deciso che 11,75V sarebbe stato sufficientemente buono. Sto usando l'LT8362 di Analog Devices per un controllore di boost, e ha un feedback di 1,6V e un ingresso di blocco per sotto-tensione che è un po' non standard. Il meglio che potevo ottenere senza che le tolleranze sulle resistenze mi portassero troppo vicino a 11,98V era 11,75V o usando resistenze dello 0,1% o dello 0,5% con valori di resistenza decenti. Quindi sto costruendo un regolatore da 11,75V per l'alimentazione ridondante! Questo dovrebbe anche permettere un calo di tensione sul regolatore AC-DC fornito e un certo margine per la tolleranza sull'alimentazione da muro.

Questo design simula un'efficienza del 95% a una frequenza di commutazione di 500kHz. Potrei ottenere un po' più di efficienza abbassando la frequenza al minimo supportato dal dispositivo, 300kHz; tuttavia, l'induttore diventerebbe troppo grande per le dimensioni del mio target board. Funzionare a una frequenza più bassa offre solo un piccolo guadagno in termini di efficienza, quindi il compromesso per una dimensione leggermente più piccola vale la pena per me.

Ho impostato il blocco per sotto tensione a 6.4V, quindi quando le celle sono in uno stato di scarica relativamente basso, ma ancora sicuro, il regolatore smetterà di fornire energia. Non vorrei che nessuna delle celle scendesse sotto i 2.9V (5.8V in serie), e 3.2V è considerato un punto sicuro per scaricare una cella al litio-ione. Le batterie che sto usando non hanno una protezione integrata per la cella, quindi è abbastanza importante che il regolatore si spenga da solo una volta che la tensione della batteria raggiunge il punto minimo di sicurezza.

Non mi sono preoccupato di disabilitare il regolatore quando è presente l'alimentazione esterna, e il regolatore è sempre acceso e sempre pronto per uno scenario di failover. Durante il test del design del banco, il passaggio da un'alimentazione all'altra è stato istantaneo e senza cali di tensione, anche con un carico di 200mA e senza capacità in uscita. Avere un regolatore sempre acceso garantirà che l'UPS sia pronto in un nanosecondo per prendere il controllo o integrare l'alimentazione esterna se la sua tensione inizia a calare sotto carico. Con la batteria che viene ricaricata lentamente ogni volta che l'alimentazione esterna è collegata, non sono preoccupato dell'inefficienza di mantenere il regolatore acceso senza carico.

Design PCB

Ho uno spazio particolare in cui voglio posizionare questo UPS, quindi sto cercando di mantenere il design a 100mm x 50mm. Potrei facilmente barare e mettere le batterie sul fondo della scheda, ottenendo così molto spazio in più sulla parte superiore per tutti i componenti. Tuttavia, devo ammettere che mi piace l'aspetto delle batterie e dei componenti su un unico lato! Mi piace fare layout in aree compatte, è sempre una sfida interessante progettare e tracciare senza fare troppi sacrifici al design!

Dopo aver giocato un po', ho disposto la scheda in modo approssimativo in una maniera che per lo più ha senso per me. La sfida più grande è l'induttore relativamente gigantesco per il regolatore da 11,75V. Il layout del regolatore è determinato dal pinout del IC e dalla necessità di ridurre il più possibile la dimensione del loop di corrente, quindi ci sono solo veramente due modi in cui il regolatore può essere disposto—così com'è, o ruotato di 180 gradi.

Non ero davvero soddisfatto della posizione del IC del caricabatterie contro il bordo superiore della scheda; lì non c'è molto spazio per il dissipatore di calore in rame. Mi sono anche reso conto che le batterie dovrebbero essere scambiate, così che il terminale positivo sia il più vicino possibile all'ingresso dell'alimentatore a commutazione. Avere il regolatore di tensione tra le due celle ha migliorato il layout per il caricabatterie e per il regolatore. Inizialmente avevo posizionato il terminale positivo verso il bordo superiore del PCB per ottimizzare la distanza al caricabatterie, che avevo collocato per primo sulla scheda. Tuttavia, questo aumentava la distanza al regolatore di tensione e non forniva un ottimo percorso di corrente dal terminale positivo all'ingresso del regolatore. La scheda riorganizzata è molto migliore, e ne sono contento.

Il componente posizionato sotto il portabatterie è il termistore NTC per interrompere la carica se la batteria diventa troppo calda o per caricare la batteria molto lentamente se la cella è troppo fredda. Come ho menzionato in precedenza nell'articolo, probabilmente non sarà una protezione eccessivamente efficace. Può rilevare solo una cella della batteria e non ha nemmeno un buon contatto per quel lavoro. Quando ho progettato lo schema, ho dibattuto se includere o meno il termistore, ma ho pensato che è probabilmente meglio avere una protezione inefficiente piuttosto che nessuna.

Sto solo aggiungendo un piano di massa intorno ai componenti, non c'è motivo di avere un riporto di rame sul resto della scheda se non per mantenere felice il produttore della scheda (minore uso di sostanze chimiche). In ogni caso, non farà molta differenza elettricamente a questo progetto.

Con il progetto completamente tracciato, non ci sono stati molti sacrifici da fare per far entrare tutto. La scheda è appena abbastanza lunga da inserire il regolatore di tensione, con un layout decente e un percorso sufficiente affinché il calore venga condotto via.

Routing completato, ho solo spostato leggermente i componenti e le tracce. L'ultimo ma importante cambiamento è aggiungere delle vie per aiutare a spostare il calore dal fondo della scheda verso l'alto e garantire un buon percorso per la corrente. Il caricabatterie si riscalderà quando è alla corrente di carica massima, così come il regolatore di tensione. Questi sono entrambi relativamente vicini, ma ciò non mi preoccupa. Non dovrebbe esserci un momento in cui entrambi i dispositivi generano calore simultaneamente, poiché o la batteria si sta caricando dall'alimentazione esterna o il regolatore di tensione sta fornendo corrente per alimentare il dispositivo connesso. Il regolatore di tensione calcola circa 52c (aumento di temperatura di 27c) sotto pieno carico, che non è abbastanza caldo da preoccuparsi di cambiare il layout o fornire un percorso di dissipazione del calore migliore.

Penso che la scheda sembri buona—le celle con uno spazio tra loro per il caricabatterie sembrano meglio di quanto sperassi. Sono felice di considerare questo progetto completato. I LED del caricabatterie saranno ben visibili lungo il bordo della scheda, e i connettori di alimentazione sono facili da usare.

Infine

Sebbene sia stato costruito come un'alimentazione senza interruzioni autonoma, puoi utilizzare i concetti presenti in questo progetto per fornire una capacità di backup della batteria ai tuoi dispositivi. I file di progetto sono open source e disponibili su GitHub, come menzionato all'inizio dell'articolo. Con alcune piccole modifiche ai componenti, questo progetto potrebbe essere adattato per fornire una corrente di uscita maggiore o una diversa tensione di uscita, a seconda delle necessità del tuo progetto.

L'LTC4414 è un IC molto interessante, di gran lunga il controller OR/diodo ideale più versatile che abbia esaminato negli ultimi anni. Non vedo l'ora di provarlo con alcune altre configurazioni in progetti futuri. Il datasheet offre una lettura interessante con l'ampia gamma di applicazioni presentate.

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