Zasilacz awaryjny 12V DC

Mieszkam w wiejskiej wiosce, która ma tendencję do przerywanego dostępu do prądu podczas silnych wiatrów lub burz. Z tego powodu moje komputery, serwery i sprzęt sieciowy są podłączone do stosunkowo tanich, nieprzerwanych zasilaczy. Wszystkie działają na zamkniętych akumulatorach kwasowo-ołowiowych i nie są zbyt wydajnym sposobem na zasilanie urządzenia DC, takiego jak Raspberry Pi czy router internetowy, ponieważ przychodzący prąd zmienny AC ładuje akumulator DC, który następnie tworzy prąd zmienny AC za pomocą przetwornicy, zasilając konwerter AC-DC, aby dostarczyć energię do urządzenia DC. Pomyślałem, że byłoby interesujące stworzyć mały UPS odpowiedni do zasilania mojego routera ADSL, zamiast dedykować mu cały UPS AC.

Mój router ADSL ma zasilanie 12V/1A, pomimo że prawdopodobnie działa wewnętrznie na 1.8-3.3v. W tym projekcie stworzę UPS 12V 1A. Jak zwykle, otwarte pliki projektowe Altium Designer można znaleźć na GitHub, na licencji MIT. Ta licencja zasadniczo pozwala robić, co tylko chcesz z projektem. Jeśli szukasz plików biblioteki, ten projekt został zaprojektowany z moją Open Source Altium Designer Library.

Powyżej znajduje się projekt PCB, o którym będziesz czytać w Altium 365 Viewer; darmowy sposób na łączenie się z współpracownikami, klientami i przyjaciółmi z możliwością przeglądania projektu lub pobrania go jednym kliknięciem! Wgraj swój projekt w kilka sekund i miej interaktywny sposób na dogłębne przyjrzenie się bez potrzeby korzystania z ciężkiego oprogramowania czy dużej mocy obliczeniowej komputera.

Baterie

Baterie kwasowo-ołowiowe są niezwykle opłacalne pod względem kosztu za watogodzinę energii, ale chcę zbudować coś trochę bardziej nowoczesnego, kompaktowego i lekkiego. Zasilę mój UPS dwoma ogniwami litowo-polimerowymi 18650, ponieważ oferują one doskonałą gęstość mocy, szybkość rozładowania i stosunkowo szybkie ładowanie. Jeśli szukasz zasilania dla swojego kolejnego projektu za pomocą baterii, dlaczego nie zapoznasz się z moim artykułem na OctoPart na temat Wyboru chemii baterii dla Twojego projektu. Ogniwo 18650 jest stosunkowo drogie za watogodzinę w porównaniu do baterii kwasowo-ołowiowej, ale mój UPS nie będzie miał na nim dużego obciążenia.

Ogniwo LG MJ1 ma pojemność 3500mAh, więc dwa połączone szeregowo zapewniają nominalnie 25,9Wh. To nie jest dużo, ale z konwerterem DC-DC o sprawności 95%, będę miał do dyspozycji około 24,6Wh, co oferuje około dwie godziny czasu pracy przy nominalnym obciążeniu 1A. W rzeczywistości prawdopodobnie pozwoli to na działanie mojego routera przez pięć do sześciu godzin.

Mogłbym użyć pojedynczego ogniwa lub dwóch ogniw połączonych równolegle, jednak dwa ogniwa połączone szeregowo pozwalają mi na zbudowanie bardziej efektywnego przetwornika podwyższającego napięcie i oferują więcej opcji dla monolitycznych przetworników podwyższających.

Do montażu baterii na płytce, wybrałem prostą drogę i używam dwóch formowanych uchwytów na baterie Keystone 1043. Są wystarczająco tanie dla mnie i trzymają ogniwa mocno. Tańsze sposoby, takie jak użycie przelotowych zacisków baterii na każdym końcu ogniwa, wymagałyby dodatkowego wysiłku, aby trzymać ogniwa na miejscu bezpiecznie—takie jak obudowa wydrukowana w 3D, która wykonałaby pracę, którąuchwyt na baterie Keystone 1043 jest w pełni zdolny do wykonania.

Ładowarka do baterii

Do ładowania baterii użyję Skyworks AAT3663IWO-8.4-2-T1, dwukomórkowej ładowarki LiPo z wejściem termistora 10k NTC dla ochrony termicznej. Termistor może nie być szczególnie użyteczny w tej konstrukcji. Nie będzie w stanie dotknąć nawet jednej baterii, nie wspominając o obu – ale jest to bardzo użyteczna opcja, gdy używa się pakietu ogniw typu pouch, który ma wbudowany termistor. Nadal będę dodawał termistor do płytki, ale zostanie on zamontowany tylko pod jedną celą.

AAT3663 pozwala na ładowanie dwóch ogniw szeregowo z prądem do 1A, co da mi czas ładowania około 3 godzin. To znacznie lepiej, niż uzyskałbym w przypadku baterii kwasowo-ołowiowej, która może wymagać do 24h. Szybki czas ładowania w pewnym stopniu rekompensuje stosunkowo niską pojemność ogniw w mojej konstrukcji UPS, pozwalając jej radzić sobie z wieloma krótkimi, przerywanymi spadkami mocy w burzliwy dzień ze względu na krótki czas regeneracji.

Schemat jest bardzo prosty w implementacji, i wszystko opiera się praktycznie tylko na zalecanych wartościach z karty katalogowej – nie ma tu wiele do przemyślenia. Rezystor ISET R5 ustawia prąd na maksymalne 1A. Diody LED służą do wyświetlania statusu ładowania.

Idealnie, ładowarka do dwóch ogniw powinna wyrównywać poziomy naładowania ogniw i zapewniać, że żadne z nich nie zostanie przeładowane. Przeładowane/ogniwo z nadmiernym napięciem może stanowić zagrożenie pożarowe, więc jest to kwestia, na którą należy zwrócić uwagę. Ogniwa, których planuję użyć, są dość dobrze dopasowane, więc będzie to wymagało ode mnie jedynie manualnego sprawdzania napięcia ogniw co drugi miesiąc lub ich wyjmowania, aby wyrównać naładowanie na jednej z moich „bardziej zaawansowanych” ładowarek. Nie udało mi się znaleźć dobrej, taniej opcji dla ładowarki do dwóch ogniw litowo-jonowych z balansowaniem wśród opcji, które przeglądałem, więc jeśli masz świetny numer części, zostaw komentarz pod artykułem z twoją sugestią!

Kontroler Przełączania Awaryjnego Baterii

Istnieje wiele sposobów na zapewnienie przełączenia awaryjnego do baterii; jednak uważam, że najbardziej eleganckim rozwiązaniem jest Analog Devices LTC4414. Pracując na baterii, zapewnia on konfigurację z najmniejszymi stratami przez gorące podłączanie baterii za pomocą tranzystora MOSFET typu P-kanałowego. LTC4414 to niezwykle wszechstronny układ scalony, pozwalający na różnorodne konfiguracje do współdzielenia obciążenia i zasilania redundantnego, jest to układ scalony, którego z niecierpliwością oczekuję na używanie w innych projektach w przyszłości.

To nie jest idealne rozwiązanie. Ma jednak kilka wad - podczas pracy z konwertera AD-DC, który był dołączony do routera, schemat pokazuje, że to wejście przechodzi przez diodę, która powoduje spadek napięcia i straty w postaci ciepła. Dioda, którą wybrałem, ma najniższy spadek napięcia przewodzenia spośród wszystkich diod SMA dla jej prądu i napięcia, jakie udało mi się znaleźć u dostawców, z których korzystam. Mój router działa dobrze poniżej 12V, więc ten mały spadek napięcia nie będzie problemem dla mojej aplikacji. Inne dostępne opcje topologii używałyby tranzystora MOSFET typu P-Channel dla zewnętrznego zasilania, co usunęłoby ten spadek napięcia. Jednak nie testowałem tej topologii z ładowarką do baterii, więc wolę dmuchać na zimne, używając tego, co mogłem przetestować.

Inną wadą jest to, że zewnętrzne wejście (zasilanie sieciowe) musi mieć co najmniej o 20mV wyższy potencjał niż zasilanie awaryjne, aby mogło korzystać z zewnętrznego źródła zasilania. Jeśli napięcie z sieci spadnie, zacznie ono faktycznie dzielić obciążenie z zapasową baterią, aby ustabilizować napięcie. Może to być bardzo użyteczna funkcja w innych projektach, ale prawdopodobnie nie będzie zbyt przydatna w tym projekcie. Bawiłem się tym, używając mojego zasilacza laboratoryjnego, i układ scalony, który testowałem, zaczynał aktywować bramkę, jak tylko redundantne zasilanie było w odległości 20mV od zewnętrznego źródła zasilania.

VEXT to zewnętrzne napięcie zasilające, a VREG to podwyższone napięcie baterii.

Używam złącza JST PH dla wyjścia, ponieważ łatwo mogę zdobyć złącze JST PH (lub KR, które jest kompatybilne) na wtyk typu barrel do podłączenia do mojego routera.

Regulator podwyższający

Jak wspomniałem powyżej, zewnętrzne napięcie wejściowe musi być co najmniej o 20mV wyższe niż napięcie zasilania redundantnego. Dlatego nie zamierzam budować regulatora 12V. Zamiast tego zbuduję regulator 11,75V. Prawdopodobnie myślisz, 'cóż, to 250mV mniej niż na wyjściu, na pewno możesz zrobić lepiej niż to?' Cóż, też tak myślałem, ale po około 10 minutach zabawy z wartościami rezystorów, zdecydowałem, że 11,75V będzie wystarczająco dobre. Używam LT8362 od Analog Devices jako kontrolera do podnoszenia napięcia, i ma on 1,6V sprzężenie zwrotne i wejście blokady przy niskim napięciu, co jest trochę nietypowe. Najlepsze, co mogłem uzyskać bez dopuszczania tolerancji na rezystorach, które zbliżałyby mnie zbyt mocno do 11,98V, to 11,75V albo używając rezystorów o tolerancji 0,1% lub 0,5% z przyzwoitymi wartościami rezystorów. Więc buduję regulator 11,75V dla redundantnego zasilania! Powinno to również pozwolić na spadek napięcia na dostarczanym regulatorze AC-DC i pewną tolerancję na zasilaczu sieciowym.

Ten projekt symuluje sprawność na poziomie 95% przy częstotliwości przełączania 500kHz. Mógłbym uzyskać nieco większą sprawność, obniżając częstotliwość do minimalnych 300kHz, które urządzenie obsługuje; jednak wtedy induktor staje się zbyt duży dla mojej docelowej wielkości płytki. Praca przy niższej częstotliwości zapewnia tylko niewielki wzrost sprawności, więc kompromis na rzecz nieco mniejszego rozmiaru jest dla mnie wart tej zmiany.

Ustawiłem blokadę napięcia podprogowego na 6,4V, więc kiedy ogniwa mają stosunkowo niski, ale nadal bezpieczny stan rozładowania, regulator przestaje dostarczać energię. Nie chciałbym, aby któreś z ogniw spadło poniżej 2,9V (5,8V w szeregu), a 3,2V jest uważane za bezpieczny punkt rozładowania ogniwa litowo-jonowego. Baterie, których używam, nie mają wbudowanej ochrony ogniwa, więc wyłączenie się regulatora, gdy napięcie baterii osiągnie minimalny bezpieczny punkt, jest dość ważne.

Nie zawracałem sobie głowy wyłączaniem regulatora, gdy zewnętrzne zasilanie jest podłączone, i regulator jest zawsze włączony oraz gotowy na scenariusz awaryjny. Podczas testowania projektu ławki, przełączenie z jednego źródła zasilania na drugie było natychmiastowe i bez spadku napięcia, nawet przy obciążeniu 200mA i braku pojemności wyjściowej. Posiadanie zawsze włączonego regulatora zapewni, że UPS będzie gotowy w ułamku sekundy, aby przejąć lub uzupełnić zewnętrzne zasilanie, jeśli jego napięcie zacznie spadać pod obciążeniem. Ponieważ bateria jest ładowana kroplami, kiedy tylko zewnętrzne zasilanie jest podłączone, nie martwię się o nieefektywność utrzymywania regulatora włączonego bez obciążenia.

Projektowanie PCB

Mam szczególne miejsce, w którym chcę umieścić ten UPS, więc staram się, aby projekt mieścił się w 100mm x 50mm. Mógłbym łatwo oszukiwać i umieścić baterie na spodzie płytki, co dałoby mi dużo miejsca na górze dla wszystkich komponentów. Jednak muszę przyznać, że podoba mi się wygląd baterii i komponentów po jednej stronie! Lubię robić układy w kompaktowych obszarach, to zawsze interesujące wyzwanie, aby rozmieścić i trasować bez dokonywania zbyt wielu poświęceń dla projektu!

Po trochę zabawy, udało mi się mniej więcej rozplanować płytę w sposób, który w większości przypadków wydaje mi się sensowny. Największym wyzwaniem jest stosunkowo gigantyczny induktor dla regulatora 11,75V. Układ regulatora jest podyktowany rozmieszczeniem pinów układu scalonego oraz potrzebą zmniejszenia rozmiaru pętli prądowej jak najbardziej, więc istnieją naprawdę tylko dwa sposoby, w jakie można go rozmieścić—tak jak jest, lub obrócony o 180 stopni.

Nie byłem do końca zadowolony z lokalizacji układu ładowania przy górnej krawędzi płyty; nie ma tam dużo miejsca na miedziane odprowadzanie ciepła. Zdałem sobie również sprawę, że baterie powinny zostać zamienione miejscami, tak aby dodatni biegun był najbliżej wejścia zasilania impulsowego. Umieszczenie regulatora napięcia między dwoma ogniwami poprawiło układ dla ładowarki baterii i regulatora. Początkowo umieściłem dodatni biegun w kierunku górnej krawędzi PCB, aby zoptymalizować odległość do ładowarki, którą jako pierwszą umieściłem na płycie. Jednakże, zwiększyło to odległość do regulatora napięcia i nie zapewniło dobrej ścieżki prądowej od dodatniego bieguna do wejścia regulatora. Przearanżowana płyta jest o wiele lepsza i jestem z niej zadowolony.

Komponent umieszczony pod uchwytem baterii to termistor NTC, który ma za zadanie zakończyć ładowanie, jeśli bateria się zbyt mocno nagrzeje, lub ładować baterię bardzo wolno, jeśli ogniwo jest zbyt zimne. Jak wspomniałem wcześniej w artykule, prawdopodobnie nie będzie to zbyt skuteczna ochrona. Może on tylko wykryć jedno ogniwo baterii i nawet w tym zadaniu nie ma dobrego kontaktu. Projektując schemat, zastanawiałem się, czy włączyć termistor, ale doszedłem do wniosku, że lepiej mieć nieskuteczną ochronę niż żadną.

Dodaję tylko masę wokół komponentów, nie ma powodu, aby pokrywać resztę płytki miedzią, poza zadowoleniem producenta płytek (mniejsze zużycie chemikaliów). Tak czy inaczej, nie zrobi to dużo różnicy elektrycznie dla tego projektu.

Z projektowaniem całkowicie ukończonym, nie było wielu poświęceń, które trzeba było poczynić, aby wszystko się zmieściło. Płytka jest wystarczająco długa, aby zmieścić regulator napięcia, z przyzwoitym układem i wystarczającą ścieżką do odprowadzania ciepła.

Trasowanie zakończone, jedynie nieznacznie przesunąłem komponenty i ścieżki. Ostatnią, ale ważną zmianą jest dodanie przelotek, aby pomóc przenieść ciepło z dolnej strony płytki na górną i zapewnić dobry ścieżkę prądową. Ładowarka do baterii będzie się nagrzewać, gdy będzie pracować z pełnym prądem ładowania, podobnie jak regulator napięcia. Oba te elementy są dość blisko siebie, ale to mnie nie niepokoi. Nie powinno być takiej sytuacji, gdy oba urządzenia generują ciepło jednocześnie, ponieważ albo bateria jest ładowana z zewnętrznego źródła zasilania, albo regulator napięcia dostarcza prąd do uruchomienia podłączonego urządzenia. Regulator napięcia osiąga około 52°C (wzrost temperatury o 27°C) przy pełnym obciążeniu, co nie jest wystarczająco gorące, by martwić się zmianą układu lub zapewnieniem lepszej ścieżki odprowadzania ciepła.

Myślę, że płyta wygląda dobrze—komórki z odstępem między nimi na ładowarkę wyglądają lepiej niż się spodziewałem. Cieszę się, że mogę nazwać ten projekt zakończonym. Diody LED ładowarki będą ładnie widoczne wzdłuż krawędzi płytki, a złącza zasilające są łatwe w użyciu.

Wreszcie

Chociaż jest to zbudowane jako samodzielne zasilanie bezprzerwowe, możesz wykorzystać koncepcje zawarte w tym projekcie, aby zapewnić funkcję zapasowego zasilania bateryjnego własnym urządzeniom. Pliki projektowe są otwartego źródła i dostępne na GitHubie, jak wspomniano na początku artykułu. Dzięki niewielkim zmianom komponentów, ten projekt można by było dostosować do zapewnienia wyższego prądu wyjściowego lub innego napięcia wyjściowego, zgodnie z wymaganiami własnego projektu.

LTC4414 to bardzo interesujący układ scalony, zdecydowanie najbardziej wszechstronny kontroler OR/kontroler idealnej diody, na który patrzyłem w ostatnich latach. Nie mogę się doczekać wypróbowania go w innych konfiguracjach w przyszłych projektach. Karta katalogowa jest interesującą lekturą z szerokim zakresem prezentowanych zastosowań.

Masz więcej pytań? Zadzwoń do eksperta w Altium.