12V DC 無停電電源装置

私は、強風や嵐の際に断続的に電力供給が不安定になる田舎の村に住んでいます。そのため、私のコンピューター、サーバー、ネットワーク機器はすべて、比較的低コストの無停電電源装置（UPS）に接続されています。これらはすべて密閉型鉛蓄電池を使用しており、Raspberry PiやインターネットルーターなどのDCデバイスを電源供給する方法としては特に効率的ではありません。なぜなら、入力されるAC（交流）がDC（直流）バッテリーを充電し、その後、インバーターを介してAC電力を生成し、AC-DCコンバーターがDCデバイスに電力を供給するからです。ADSLルーターを全体のAC UPSに頼るのではなく、小型のUPSを作ってみるのも面白いと思いました。

私のADSLルーターは12V/1Aの電源を持っていますが、内部的にはおそらく1.8-3.3vで動作しているにもかかわらずです。このプロジェクトでは、12V 1AのUPSを作成します。いつものように、オープンソースのAltium DesignerプロジェクトファイルはGitHubで、MITライセンスの下でライセンスされています。このライセンスは、基本的に設計に対して好きなことをすることを許可します。ライブラリファイルを探している場合、このプロジェクトは私のOpen Source Altium Designer Libraryを使用して設計されました。

上記は、Altium 365 Viewerで読むことになるPCB設計です。これは、設計を表示したりボタンをクリックするだけでダウンロードできる機能を備え、同僚、クライアント、友人と繋がる無料の方法です！設計を数秒でアップロードし、重たいソフトウェアや高性能なコンピューターなしで詳細に深く見るためのインタラクティブな方法を持つことができます。

バッテリー

鉛蓄電池はエネルギーのワット時あたりのコスト効率が非常に高いですが、もう少し現代的でコンパクトで軽量なものを作りたいと思います。私のUPSには、優れたエネルギー密度、放電率、比較的高速な充電能力を提供する18650リチウムポリマーセルを2つ使用します。次のプロジェクトにバッテリーを使用する予定があるなら、OctoPartでの私の記事プロジェクト用のバッテリー化学を選択するをぜひご覧ください。18650セルは鉛蓄電池と比較してワット時あたりのコストが比較的高いですが、私のUPSには大きな負荷はかかりません。

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LG MJ1セルは容量が3500mAhなので、直列に2つ使用すると名目上25.9Whを提供します。それほど多くはありませんが、95%効率のDC-DCコンバーターを使用すると、約24.6Whの使用可能な電力が得られ、定格1Aの負荷で約2時間の稼働時間が得られます。実際には、これでルーターを5〜6時間稼働させることができるでしょう。

単一のセルを使用することも、並列に2つのセルを使用することもできますが、直列に2つ使用することで、より効率的なブーストコンバーターを構築でき、モノリシックブーストコンバーターに対してより多くのオプションを提供します。

基板にバッテリーを取り付けるために、私は簡単な方法を取り、Keystone 1043成形バッテリーホルダーを2つ使用しています。これらは私にとって十分安価で、セルをしっかりと保持します。セルの各端にスルーホールバッテリータブを使用する安価な方法は、セルを確実に固定するために追加の努力が必要になります。例えば、Keystone 1043バッテリーホルダーが十分に対応できる仕事をする3Dプリントのエンクロージャーなどです。

バッテリーチャージャー

バッテリーの充電には、SkyworksのAAT3663IWO-8.4-2-T1を使用します。これは、熱保護のための10k NTCサーミスタ入力を備えた2セルLiPoチャージャーです。この設計ではサーミスタが特に役立つわけではありません。1つのバッテリーに触れることはおろか、2つに触れることもありませんが、内蔵サーミスタを持つポーチセルパックを使用する場合には非常に便利なオプションです。それでも、サーミスタをボードに追加しますが、1つのセルの下にのみ取り付けられます。

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AAT3663は、2つのセルを直列に最大1Aで充電することを可能にし、これにより約3時間の充電時間が得られます。これは鉛蓄電池を使用した場合の最大24時間に比べて大幅に優れています。高速充電時間は、私のUPS設計におけるセルの比較的低い容量をある程度補い、嵐の日に短時間で断続的に発生する電力低下に対処することを可能にします。短い回復時間のおかげで。

回路図の実装は非常にシンプルで、ほとんどがデータシートで推奨されている値をそのまま使用しています—考えることはあまりありません。ISET抵抗R5が最大1Aの電流を設定します。LEDは充電状態を表示するためのものです。

理想的には、2セル充電器はセルをバランスさせ、一方のセルが過充電されることがないようにするべきです。過充電/過電圧のセルは火災の危険性があるため、注意が必要です。私が使用予定のセルはかなり良くマッチしているので、これは私が2ヶ月おきに手動でセルの電圧をチェックするか、または「もっと高級な」充電器の一つでバランスを取るために取り出すだけで済むでしょう。私が見たオプションの中で、バランシング2セルリチウムイオンバッテリー充電器の良い低コストオプションを見つけることができませんでしたので、もし素晴らしい部品番号を知っている場合は、記事にコメントを残して提案してください！

バッテリーフェイルオーバーコントローラー

バッテリーにフェイルオーバーを提供する方法は複数ありますが、私が最もエレガントだと感じる解決策はAnalog DevicesのLTC4414です。バッテリーで動作しているとき、これはPチャネルMOSFETを介してバッテリーをホットスワップすることで最低損失の構成を提供します。LTC4414は非常に多様なICであり、負荷共有や冗長電源のためのあらゆる種類の構成を可能にします。これは、将来的に他のプロジェクトで使用することを楽しみにしているICです。

これは完璧な解決策ではありません。しかし、いくつかの欠点があります。ルーターに付属していたAD-DCコンバーターを使用しているとき、回路図ではこの入力がダイオードを通過しており、そのダイオードは電圧降下を引き起こし、熱として損失を生じます。私が選んだダイオードは、私が利用するサプライヤーで見つけることができた中で、その電流と電圧の定格において最も前方電圧降下が低いSMAダイオードです。私のルーターは12Vよりもはるかに低い電圧で動作し続けるので、この小さな電圧降下は私の用途には問題になりません。利用可能な他のトポロジーオプションには、外部供給用にPチャネルMOSFETを使用するものがあり、これにより電圧降下がなくなります。しかし、私はそのトポロジーをバッテリーチャージャーでテストしていないので、テストできたものを使用することで安全を確保しています。

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もう一つの欠点は、外部入力（市販の電源供給）が、予備電源よりも少なくとも20mV高い電位でなければならないことです。これを使用するためには、外部供給が必要です。壁からの電圧が低下すると、実際にはバッテリーバックアップと負荷を共有し始め、電圧を安定させます。これは他のプロジェクトでは非常に便利な機能かもしれませんが、このプロジェクトにはあまり役に立たない可能性があります。私はこの機能をラボの電源供給を使って試してみましたが、テストしていたICは、冗長供給が外部供給と20mV以内になるとすぐにゲートを有効にし始めました。

VEXTは外部電圧供給で、VREGはブーストされたバッテリー電圧です。

出力にはJST PHコネクタを使用しています。これは、私のルーターに接続するためにJST PH（またはKR、これは互換性があります）からバレルジャックコネクタへ簡単に取得できるからです。

ブーストレギュレータ

上述の通り、外部入力電圧は冗長電源電圧より少なくとも20mV高くなければなりません。そのため、12Vレギュレータを作るつもりはありません。代わりに、11.75Vレギュレータを作ることにします。おそらく、「出力よりも250mV低い、もっと良い方法があるのでは？」と思っているでしょう。実は私もそう思っていましたが、抵抗値をいじって約10分後、11.75Vで十分だと決めました。Analog DevicesのLT8362をブーストコントローラとして使用しており、1.6Vのフィードバックとアンダーボルテージロックアウト入力が少し非標準です。抵抗の許容差が原因で11.98Vに近づきすぎることなく、最適なのは11.75V、または0.1%または0.5%の抵抗器を使ってまともな抵抗値を使用することでした。ですから、冗長電源用に11.75Vレギュレータを作成しています！これにより、供給されるAC-DCレギュレータの電圧低下や壁の供給の許容差にも対応できるはずです。

この設計は、500kHzのスイッチング周波数で95%の効率をシミュレートします。デバイスがサポートする最小300kHzまで下げることで、わずかに効率を上げることができますが、その場合、インダクタが私の目標とするボードサイズには大きすぎます。低い周波数で動作させることは、効率を少し向上させるだけなので、わずかに小さいサイズとのトレードオフは私にとって価値があります。

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アンダーボルテージロックアウトを6.4Vに設定しているので、セルが比較的低いがまだ安全な放電状態にあるとき、レギュレータは電力供給を停止します。どちらのセルも2.9V（直列で5.8V）以下になることは望ましくなく、3.2Vはリチウムイオンセルを放電するための安全なポイントと考えられています。私が使用しているバッテリーには内蔵のセル保護がないので、バッテリー電圧が最小の安全ポイントに達したらレギュレータが自動的にオフになることはかなり重要です。

外部電源が接続されているときにレギュレータを無効にすることには手を出していません。レギュレータは常にオンで、フェイルオーバーシナリオに常に対応できる状態です。ベンチの設計をテストしたとき、一方の供給から他方への切り替えは瞬時に行われ、200mAの負荷がかかっていても出力容量がなくても電圧の低下はありませんでした。常時オンのレギュレータを持つことで、外部供給の電圧が負荷によって低下し始めた場合に、UPSがナノ秒単位で外部供給を引き継ぐか補完する準備ができていることを保証します。外部供給が接続されている間はバッテリーがトリクル充電されるので、負荷がない状態でレギュレータをオンにしておく非効率性については心配していません。

PCBデザイン

このUPSを置きたい特定の場所があるので、デザインを100mm x 50mmに収めようとしています。簡単にズルをしてバッテリーをボードの底に置くことで、上部にすべてのコンポーネントを配置するための大きなスペースを確保できます。しかし、バッテリーとコンポーネントを一方の面に配置する見た目が好きだと認めざるを得ません！コンパクトなエリアでのレイアウトはいつも興味深い挑戦であり、デザインに多くの犠牲を払わずにレイアウトとルーティングを行うことは常に面白いです！

少しいじってみた結果、ほとんど意味があるように見える方法でボードを大まかにレイアウトすることができました。最大の課題は、11.75Vレギュレーター用の比較的巨大なインダクターです。レギュレーターのレイアウトはICのピン配置と、可能な限り電流ループのサイズを減らす必要性によって決まりますので、レギュレーターを配置できる方法は実質的に2つだけです。現在の配置か、180度回転させた配置です。

充電ICをボードの上端に配置することには本当に満足していませんでした。そこには銅のヒートシンク用のエリアがあまりありません。また、バッテリーを入れ替えるべきだと気づきました。つまり、正の端子がスイッチモード電源の入力に最も近いようにするべきです。2つのセルの間に電圧レギュレーターを配置することで、バッテリーチャージャーとレギュレーターのレイアウトが改善されました。元々は、充電器に最適な距離を考慮して、正の端子をPCBの上端に向けて配置していました。しかし、これは電圧レギュレーターまでの距離を増加させ、正の端子からレギュレーター入力への良好な電流経路を提供しませんでした。再配置されたボードははるかに良く、私はそれに満足しています。

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バッテリーホルダーの下にあるコンポーネントは、バッテリーが過熱した場合に充電を停止するため、またはセルが冷えすぎている場合に非常にゆっくりとバッテリーを充電するためのNTCサーミスタです。記事の前半で述べたように、これが特に効果的な保護を提供するわけではないでしょう。一つのバッテリーセルのみを感知でき、その仕事においても良好な接触を持つことはできません。回路図を設計する際、サーミスタを含めるかどうかで悩みましたが、非効率的な保護でも全くないよりはましと考えました。

コンポーネントの周りにグラウンドプアを追加するだけで、基板の残りの部分に銅を敷く理由はありません（化学薬品の使用量が少なくなるため、基板メーカーを満足させる以外に）。どちらにしても、この設計に電気的に大きな違いはありません。

設計が完全にルーティングされた後、全てを収めるために多くの犠牲を払う必要はありませんでした。ボードは電圧レギュレータを収めるのにちょうど十分な長さで、適切なレイアウトと十分な熱伝導経路を持っています。

ルーティングが完了し、コンポーネントとトレースを少し移動させただけです。最後に重要な変更は、ボードの下から上へ熱を移動させるためにビアを追加し、良好な電流経路を確保することです。バッテリーチャージャーは、フル充電電流時に温かくなりますし、電圧レギュレータも同様です。これらは比較的近くに配置されていますが、私はこれについて心配していません。バッテリーが外部電源から充電されているか、電圧レギュレータが接続されたデバイスを動かすために電流を供給しているかのどちらかで、両方のデバイスが同時に熱を発生することはないはずです。電圧レギュレータはフル負荷時に約52℃（27℃の温度上昇）になりますが、レイアウトを変更したり、より良い熱放散経路を提供するほどの熱さではありません。

ボードは良い感じに見えます—チャージャー用の間隔を空けたセルは、私が期待していたよりも良く見えます。このデザインを完成と呼ぶことに満足しています。チャージャーのLEDはボードの端に沿ってよく見え、電源コネクタは使いやすいです。

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最後に

これはスタンドアロンの無停電電源装置として構築されていますが、この設計内のコンセプトを使用して、自分のデバイスにバッテリーバックアップ機能を提供することができます。設計ファイルはオープンソースであり、記事の冒頭で述べたようにGitHubで入手可能です。わずかなコンポーネントの変更で、この設計は、自分のプロジェクトが必要とするより高い出力電流や異なる出力電圧を提供するように適応させることができます。

LTC4414は非常に興味深いICで、過去数年間で見た中で最も多用途なORコントローラー/理想的なダイオードコントローラーICです。将来のプロジェクトでいくつかの他の構成で試してみるのが楽しみです。データシートは、提示された幅広いアプリケーションで興味深い読み物です。

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