12V DC 무정전 전원 공급장치

저는 강풍이나 폭풍이 있을 때 간헐적으로 전력 공급이 불안정한 시골 마을에 살고 있습니다. 이 때문에, 제 컴퓨터, 서버, 네트워크 장비는 모두 상대적으로 저렴한 무정전 전원 공급장치에 연결되어 있습니다. 이들은 모두 밀봉 납산 배터리를 사용하며, Raspberry Pi나 인터넷 라우터와 같은 DC 장치를 전원 공급하는 방식으로는 효율적이지 않습니다. 왜냐하면, 들어오는 교류(AC)가 직류(DC) 배터리를 충전하고, 이 배터리는 다시 인버터를 통해 교류(AC) 전력을 생성하여, AC-DC 변환기를 통해 DC 장치에 전력을 공급하기 때문입니다. 저는 ADSL 라우터를 전원 공급하기 위해 작은 UPS를 만드는 것이 흥미로울 것이라고 생각했습니다. 전체 AC UPS를 그것에 전념하는 대신 말이죠.

제 ADSL 라우터는 12V/1A 전원 공급 장치를 가지고 있음에도 불구하고, 실제로는 내부적으로 1.8-3.3v에서 작동할 가능성이 높습니다. 이 프로젝트에서는 12V 1A UPS를 만들 예정입니다. 평소처럼, 오픈 소스 Altium Designer 프로젝트 파일은 GitHub에서 MIT 라이선스 하에 공개되어 있으며, 이 라이선스는 사실상 디자인과 관련하여 원하는 것을 할 수 있게 해줍니다. 라이브러리 파일을 찾고 계시다면, 이 프로젝트는 제가 만든 Open Source Altium Designer Library를 사용하여 설계되었습니다.

위는 Altium 365 Viewer에서 읽게 될 PCB 디자인입니다. 동료, 고객, 친구들과 연결할 수 있는 무료 방법으로, 버튼 하나를 클릭하여 디자인을 보거나 다운로드할 수 있습니다! 디자인을 몇 초 만에 업로드하고 무거운 소프트웨어나 컴퓨터 성능 없이도 심층적으로 살펴볼 수 있는 상호 작용적인 방법을 갖게 됩니다.

배터리

납산 배터리는 와트시당 에너지 비용 효율이 뛰어나지만, 조금 더 현대적이고 컴팩트하며 가벼운 것을 만들고 싶습니다. 저는 우수한 전력 밀도, 방전율, 그리고 상대적으로 빠른 충전 속도를 제공하는 18650 리튬 폴리머 셀 두 개로 내 UPS를 구동할 것입니다. 다음 프로젝트에 배터리를 사용하려고 한다면, OctoPart에서 제가 작성한 프로젝트를 위한 배터리 화학 선택하기에 관한 글을 살펴보는 것은 어떨까요. 18650 셀은 납산 배터리에 비해 와트시당 비용이 상대적으로 비싸지만, 내 UPS는 큰 부하가 걸리지 않을 것입니다.

LG MJ1 셀은 용량이 3500mAh이므로, 직렬로 두 개를 연결하면 명목상 25.9Wh를 제공합니다. 많지는 않지만, 95% 효율의 DC-DC 컨버터를 사용하면 약 24.6Wh의 사용 가능한 용량을 얻어, 정격 1A 부하에서 약 두 시간 동안 사용할 수 있습니다. 실제로는 이것이 내 라우터를 다섯에서 여섯 시간 정도 작동시킬 수 있을 것입니다.

단일 셀을 사용하거나 병렬로 두 개의 셀을 사용할 수도 있지만, 직렬로 두 개를 사용하면 더 효율적인 부스트 컨버터를 구축할 수 있고, 모놀리식 부스트 컨버터에 대한 선택지가 훨씬 더 많아집니다.

배터리를 보드에 장착하기 위해, 저는 쉬운 방법을 선택하여 Keystone 1043 성형 배터리 홀더 두 개를 사용합니다. 이것들은 저에게 충분히 저렴하며 셀을 단단히 고정합니다. 셀 양쪽 끝에 스루 홀 배터리 탭을 사용하는 더 저렴한 방법은 셀을 안전하게 고정하기 위해 추가적인 노력이 필요할 것입니다—예를 들어, Keystone 1043 배터리 홀더가 충분히 할 수 있는 일을 하는 3D 프린트된 케이스 같은 것이 필요할 것입니다.

배터리 충전기

배터리를 충전하기 위해, 저는 Skyworks AAT3663IWO-8.4-2-T1을 사용할 것입니다. 이것은 열 보호를 위한 10k NTC 서미스터 입력을 가진 2셀 LiPo 충전기입니다. 서미스터는 이 설계에서 특별히 유용하지 않을 수 있습니다. 한 배터리에는 겨우 닿을 수 있을지 몰라도 두 배터리에는 전혀 닿지 않을 것입니다—그러나 내장 서미스터가 있는 파우치 셀 팩을 사용할 때 매우 유용한 옵션입니다. 저는 여전히 보드에 서미스터를 추가할 것이지만, 그것은 한 셀 아래에만 장착될 것입니다.

AAT3663은 두 셀을 직렬로 최대 1A까지 충전할 수 있게 해주며, 이는 약 3시간의 재충전 시간을 제공할 것입니다. 이는 납산 배터리에서 얻을 수 있는 것보다 훨씬 나은데, 납산 배터리는 최대 24시간이 걸릴 수 있습니다. 빠른 재충전 시간은 내 UPS 설계에서 셀의 상대적으로 낮은 용량을 어느 정도 보완해 주며, 짧은 회복 시간 덕분에 폭풍우가 몰아치는 날에 여러 차례 짧고 간헐적인 전력 강하를 처리할 수 있게 해줍니다.

회로도는 구현하기 매우 간단하며, 모든 것이 거의 데이터시트에서 권장하는 값입니다—이에 대해 생각할 것이 별로 없습니다. ISET 저항 R5는 전류를 최대 1A로 설정합니다. LED는 충전 상태를 표시하기 위한 것입니다.

이상적으로, 2셀 충전기는 셀들을 균형있게 충전하고 한 셀이 과충전되는 것을 방지해야 합니다. 과충전/과전압 셀은 화재 위험이 될 수 있으므로 주의해야 할 사항입니다. 제가 사용할 계획인 셀들은 상당히 잘 맞춰져 있으므로, 이는 저에게 격월로 셀 전압을 수동으로 확인하거나, 더 '고급' 충전기 중 하나에서 균형을 맞추기 위해 셀을 꺼내는 것을 요구할 것입니다. 저는 제가 살펴본 옵션들 중에서 균형 잡힌 2셀 리튬이온 배터리 충전기에 대한 좋은 저가 옵션을 찾지 못했으므로, 좋은 부품 번호를 알고 계시다면 기사에 댓글로 제안해 주세요!

배터리 장애 전환 컨트롤러

배터리에 장애 전환을 제공하는 방법은 여러 가지가 있지만, 가장 우아한 해결책은 Analog Devices의 LTC4414라고 생각합니다. 배터리로 작동할 때, 이는 P-채널 MOSFET을 통해 배터리를 핫 스왑하는 가장 낮은 손실 구성을 제공합니다. LTC4414는 부하 공유 및 중복 공급에 대한 다양한 구성을 허용하는 매우 다재다능한 IC로, 앞으로 다른 프로젝트에서 사용하기를 기대하고 있습니다.

이것이 완벽한 해결책은 아닙니다. 그러나 몇 가지 단점이 있습니다—라우터와 함께 제공된 AD-DC 변환기를 사용할 때, 회로도는 전압 강하와 열로 인한 손실을 제공하는 다이오드를 통해 이 입력을 실행하고 있습니다. 제가 선택한 다이오드는 사용하는 공급업체에서 찾을 수 있는 해당 전류 및 전압 등급의 SMA 다이오드 중에서 가장 낮은 순방향 전압 강하를 가지고 있습니다. 내 라우터는 12V 이하에서도 잘 작동하므로, 이 작은 전압 강하는 내 애플리케이션에 문제가 되지 않습니다. 사용 가능한 다른 토폴로지 옵션은 외부 공급을 위해 P-채널 MOSFET을 사용할 것이며, 이는 전압 강하를 제거할 것입니다. 그러나 나는 그 토폴로지를 배터리 충전기와 함께 테스트하지 않았기 때문에, 테스트할 수 있는 것을 사용함으로써 안전하게 플레이하고 있습니다.

다른 단점은 외부 입력(주 전원 공급 장치)이 외부 공급 장치를 사용하기 위해 비상 전원보다 최소 20mV 높은 전위를 가져야 한다는 것입니다. 벽에서 공급되는 전압이 떨어지면, 실제로 배터리 백업과 부하 공유를 시작하여 전압을 안정화합니다. 이것은 다른 프로젝트에서 매우 유용한 기능일 수 있지만, 이 프로젝트에서는 크게 유용하지 않을 것입니다. 실험실 전원 공급 장치를 사용하여 이것을 실험해 보았고, 테스트 중이던 IC는 중복 공급이 외부 공급과 20mV 이내로 들어오자마자 게이트를 활성화하기 시작했습니다.

VEXT는 외부 전압 공급이고, VREG는 부스트된 배터리 전압입니다.

출력용으로 JST PH 커넥터를 사용하고 있으며, JST PH(또는 호환되는 KR)에서 배럴 잭 커넥터로 쉽게 연결할 수 있어 라우터에 꽂을 수 있습니다.

부스트 레귤레이터

위에서 언급했듯이, 외부 입력 전압은 중복 공급 전압보다 최소 20mV 높아야 합니다. 따라서, 저는 12V 레귤레이터를 만들지 않을 것입니다. 대신, 11.75V 레귤레이터를 만들 계획입니다. 아마도 '출력보다 250mV 낮은데, 더 잘할 수 있지 않나요?'라고 생각하실 겁니다. 저도 그렇게 생각했지만, 저항값을 가지고 약 10분 정도 실험해본 후, 11.75V가 충분히 좋다고 결정했습니다. 저는 부스트 컨트롤러로 Analog Devices LT8362를 사용하고 있으며, 이것은 1.6V의 피드백과 비표준적인 저전압 잠금 입력을 가지고 있습니다. 저항의 허용 오차가 11.98V에 너무 가까워지지 않도록 최선을 다한 결과, 11.75V 또는 0.1% 또는 0.5% 저항을 사용하여 적절한 저항값을 가진 11.75V를 얻을 수 있었습니다. 그래서 중복 공급을 위한 11.75V 레귤레이터를 만들고 있습니다! 이것은 공급된 AC-DC 레귤레이터의 전압 강하와 벽 공급 장치의 허용 오차에 대한 여유를 허용해야 합니다.

이 설계는 500kHz 스위칭 주파수에서 95% 효율로 시뮬레이션됩니다. 장치가 지원하는 최소 300kHz로 내려가면 약간 더 효율을 높일 수 있지만, 그러면 인덕터가 내 목표 보드 크기에 너무 커집니다. 낮은 주파수에서 작동하는 것은 작은 효율 향상만을 제공하므로, 약간 더 작은 크기를 위한 타협은 저에게 가치가 있습니다.

저는 저전압 잠금 설정을 6.4V로 해두었으므로, 셀이 상대적으로 낮지만 여전히 안전한 방전 상태에 있을 때, 레귤레이터는 전력 공급을 중단할 것입니다. 저는 어느 셀도 2.9V(직렬 5.8V) 이하로 떨어지기를 원하지 않으며, 3.2V는 리튬 이온 셀을 방전시키는 안전한 지점으로 간주됩니다. 제가 사용하는 배터리에는 내장된 셀 보호 기능이 없으므로, 배터리 전압이 최소 안전 지점에 도달하면 레귤레이터가 스스로 꺼지는 것이 상당히 중요합니다.

외부 전원 공급이 있을 때 레귤레이터를 비활성화하는 것에 신경 쓰지 않았으며, 레귤레이터는 항상 켜져 있어 언제든지 장애 복구 시나리오에 대비할 준비가 되어 있습니다. 벤치의 설계를 테스트할 때, 한 전원에서 다른 전원으로의 전환은 순간적이었으며, 200mA의 부하와 출력 커패시턴스가 없음에도 전압이 떨어지지 않았습니다. 항상 켜져 있는 레귤레이터를 사용하면 외부 전원의 전압이 부하로 인해 떨어지기 시작할 경우 UPS가 나노초 안에 전원을 인계하거나 보충할 준비가 되어 있음을 보장합니다. 외부 전원이 연결되어 있을 때마다 배터리가 저속 충전되므로, 부하가 없을 때 레귤레이터를 켜 두는 것의 비효율성에 대해 걱정하지 않습니다.

PCB 설계

이 UPS를 두고 싶은 특정한 자리가 있어서, 디자인을 100mm x 50mm로 유지하려고 합니다. 배터리를 보드의 바닥에 두고 위쪽에 모든 구성 요소를 배치하는 것으로 쉽게 해결할 수 있지만, 한쪽 면에 배터리와 구성 요소가 모두 있는 모습이 마음에 듭니다! 저는 좁은 공간에서 레이아웃을 하는 것을 좋아하며, 디자인을 너무 많이 희생하지 않으면서 레이아웃하고 라우팅하는 것은 항상 흥미로운 도전입니다!

조금 시간을 들여 놀아본 후, 대체로 내게 의미가 있는 방식으로 보드를 대략적으로 배치했습니다. 가장 큰 도전은 11.75V 레귤레이터를 위한 상대적으로 거대한 인덕터였습니다. 레귤레이터의 배치는 IC의 핀 배치와 가능한 한 전류 루프 크기를 줄이려는 필요성에 의해 결정되므로, 레귤레이터를 배치할 수 있는 방법은 실제로 두 가지뿐입니다—현재와 같이 배치하거나 180도 회전시키는 것입니다.

보드 상단 가장자리에 충전 IC의 위치에 대해 정말 만족스럽지 않았습니다; 거기에는 구리 히트싱킹을 위한 면적이 많지 않습니다. 또한 배터리를 바꿔서 양극 단자가 스위치 모드 전원 공급 장치 입력에 가장 가까워야 한다는 것을 깨달았습니다. 두 셀 사이에 전압 레귤레이터를 두면 배터리 충전기와 레귤레이터의 배치가 개선되었습니다. 처음에는 충전기와 가까운 거리를 최적화하기 위해 PCB의 상단 가장자리 쪽으로 양극 단자를 배치했으나, 이는 전압 레귤레이터까지의 거리를 늘리고 양극 단자에서 레귤레이터 입력까지의 좋은 전류 경로를 제공하지 못했습니다. 재배치된 보드는 훨씬 나아졌으며, 저는 이에 만족합니다.

배터리 홀더 아래에 있는 부품은 배터리가 너무 뜨거워지면 충전을 중단하거나 셀이 너무 차가울 경우 매우 천천히 배터리를 충전하기 위한 NTC 서미스터입니다. 기사에서 이전에 언급했듯이, 이것이 효과적인 보호 수단이 될 것 같지는 않습니다. 단 하나의 배터리 셀만 감지할 수 있으며, 심지어 그 일조차도 제대로 접촉하지 못합니다. 회로도를 설계할 때 서미스터를 포함할지 말지 고민했지만, 비효율적인 보호라도 전혀 없는 것보다는 낫다고 판단했습니다.

저는 부품 주변에만 접지면을 추가하고 있으며, 보드 제조업체를 만족시키기 위한 것 외에는 보드의 나머지 부분에 구리 면을 추가할 이유가 없습니다(화학 물질 사용량 감소). 어느 쪽이든, 이 설계에 전기적으로 큰 차이를 만들지는 않을 것입니다.

설계가 완전히 라우팅되면서, 모든 것을 맞추기 위해 많은 희생을 해야 하는 상황은 없었습니다. 보드는 전압 조정기를 넣기에 충분히 길며, 적절한 레이아웃과 열이 전도될 수 있는 충분한 경로를 가지고 있습니다.

라우팅을 마쳤고, 컴포넌트와 트레이스를 조금만 옮겼습니다. 마지막이면서 중요한 변경 사항은 보드의 하단에서 상단으로 열을 이동시키고 좋은 전류 경로를 확보하기 위해 비아를 추가하는 것입니다. 배터리 충전기는 전체 충전 전류에서 따뜻해지며, 전압 조절기도 마찬가지입니다. 이 두 부품은 서로 가까이 있지만, 이로 인해 걱정하지는 않습니다. 외부 전원에서 배터리가 충전되거나 전압 조절기가 연결된 장치에 전류를 공급하는 경우, 두 장치가 동시에 열을 발생시키는 시간이 있어서는 안 됩니다. 전압 조절기는 전체 부하에서 약 52도(27도 온도 상승)로 계산되며, 레이아웃을 변경하거나 더 나은 열 방출 경로를 제공할 정도로 뜨겁지 않습니다.

보드가 좋아 보입니다—충전기 사이에 간격이 있는 셀이 기대했던 것보다 더 나아 보입니다. 이 디자인을 완성된 것으로 부르는 것이 기쁩니다. 충전기의 LED는 보드 가장자리를 따라 잘 보이며, 전원 커넥터는 사용하기 쉽습니다.

마지막으로

이것은 독립 실행형 무정전 전원 공급 장치로 제작되었지만, 이 설계 내의 개념을 사용하여 자체 장치에 배터리 백업 기능을 제공할 수 있습니다. 설계 파일은 오픈 소스이며 기사 시작 부분에서 언급한 바와 같이 GitHub에서 사용할 수 있습니다. 약간의 부품 변경으로, 이 설계는 자체 프로젝트가 요구하는 더 높은 출력 전류나 다른 출력 전압을 제공하도록 조정될 수 있습니다.

LTC4414는 매우 흥미로운 IC로, 지난 몇 년 동안 살펴본 가장 다재다능한 OR 컨트롤러/이상적인 다이오드 컨트롤러 IC입니다. 향후 프로젝트에서 다른 구성으로 시도해보고 싶습니다. 데이터시트는 제시된 다양한 응용 프로그램으로 흥미로운 읽을 거리를 제공합니다.

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