Fonte de Alimentação Ininterrupta de 12V DC

Moro em uma vila rural que tende a ter energia intermitente quando há ventos fortes ou tempestades. Por causa disso, meus computadores, servidores e equipamentos de rede estão todos em fontes de alimentação ininterruptas de custo relativamente baixo. Todas funcionam com baterias de chumbo-ácido seladas e não são uma maneira muito eficiente de alimentar um dispositivo DC, como um Raspberry Pi ou roteador de internet, já que a corrente alternada (AC) da rede elétrica carrega uma bateria DC, que então cria energia AC por meio de um inversor, o qual alimenta um conversor AC-DC para fornecer energia ao dispositivo DC. Pensei que seria interessante fazer um pequeno UPS adequado para alimentar meu roteador ADSL, em vez de ter um UPS AC inteiro dedicado a ele.

Meu roteador ADSL tem uma fonte de 12V/1A, apesar do fato de provavelmente operar internamente a 1.8-3.3v. Neste projeto, estarei criando um UPS de 12V 1A. Como de costume, você pode encontrar os arquivos de projeto open source do Altium Designer no GitHub, licenciados sob a licença MIT. Essa licença basicamente permite que você faça o que quiser com o design. Se você está procurando pelos arquivos da biblioteca, este projeto foi desenhado com a minha Biblioteca Open Source do Altium Designer.

Acima está o design de PCB sobre o qual você lerá no Altium 365 Viewer; uma maneira gratuita de se conectar com seus colegas de trabalho, clientes e amigos com a capacidade de visualizar o design ou baixá-lo com um único clique! Faça o upload do seu design em questão de segundos e tenha uma maneira interativa de examinar em profundidade sem nenhum software pesado ou poder de computação.

Baterias

As baterias de chumbo-ácido são incrivelmente custo-efetivas por watt-hora de energia, mas eu quero construir algo um pouco mais moderno, compacto e leve. Vou alimentar meu UPS com duas células de polímero de lítio 18650, pois elas oferecem excelente densidade de energia, taxa de descarga e carregamento relativamente rápido. Se você está procurando alimentar seu próximo projeto com uma bateria, que tal dar uma olhada no meu artigo no OctoPart sobre Escolhendo uma Química de Bateria para Seu Projeto. Uma célula 18650 é relativamente cara por watt-hora comparada a uma bateria de chumbo-ácido, mas meu UPS não terá uma grande carga sobre ele.

Uma célula LG MJ1 tem uma capacidade de 3500mAh, então duas em série me fornecem um nominal de 25.9Wh. Não é muito, mas com um conversor DC-DC de 95% de eficiência, terei cerca de 24.6Wh utilizáveis, oferecendo cerca de duas horas de tempo de funcionamento na carga nominal de 1A. Na realidade, isso provavelmente manterá meu roteador funcionando por cinco a seis horas.

Eu poderia usar uma única célula, ou duas células em paralelo, no entanto, as duas em série me permitem construir um conversor boost mais eficiente e oferece muito mais opções para conversores boost monolíticos.

Para montar as baterias na placa, estou escolhendo o caminho mais fácil e usando dois suportes de bateria moldados Keystone 1043. Eles são baratos o suficiente para mim e seguram as células firmemente. As maneiras mais baratas de usar abas de bateria through hole em cada extremidade da célula exigiriam um esforço adicional para manter as células no lugar de forma segura—como uma caixa impressa em 3D que faria o trabalho que o suporte de bateria Keystone 1043 é totalmente capaz de fazer.

Carregador de Bateria

Para carregar as baterias, vou usar o Skyworks AAT3663IWO-8.4-2-T1, um carregador LiPo de duas células com entrada de termistor NTC de 10k para proteção térmica. O termistor pode não ser particularmente útil neste design. Ele não vai tocar exatamente em uma bateria, que dirá em ambas — mas é uma opção muito útil quando se usa um pacote de células tipo pouch que possui um termistor embutido. Ainda assim, estarei adicionando um termistor à placa, mas ele será montado apenas sob uma célula.

O AAT3663 permite carregar as duas células em série com até 1A, o que me dará cerca de 3 horas de tempo de recarga. Isso é muito melhor do que eu conseguiria com uma bateria de chumbo-ácido, que poderia levar até 24 horas. O rápido tempo de recarga compensa de certa forma a capacidade relativamente baixa das células no meu design de UPS, permitindo que ele lide com muitas quedas de energia curtas e intermitentes em um dia tempestuoso devido ao curto tempo de recuperação.

O esquemático é muito simples de implementar, e tudo é praticamente apenas os valores recomendados pela folha de dados — não há muito no que pensar para isso. O resistor ISET R5 define a corrente para o máximo de 1A. Os LEDs são para exibir o status da carga.

Idealmente, um carregador de duas células deve equilibrar as células e garantir que uma delas não seja sobrecarregada. Uma célula sobrecarregada/sobretensionada pode ser um risco de incêndio, então é algo a se ter em mente. As células que planejo usar são bastante compatíveis, então isso apenas exigirá que eu verifique manualmente as voltagens das células a cada dois meses, ou que as retire para equilibrar em um dos meus carregadores mais ‘sofisticados’. Não consegui encontrar uma boa opção de baixo custo para um carregador de bateria de lítio de duas células com balanceamento nas opções que examinei, então se você tiver um ótimo número de peça, deixe um comentário no artigo com sua sugestão!

Controlador de Failover de Bateria

Existem várias maneiras de fornecer failover para uma bateria; no entanto, acredito que a solução mais elegante seja o Analog Devices LTC4414. Quando funcionando com bateria, isso proporciona a configuração de menor perda por meio da troca rápida da bateria através de um MOSFET de Canal P. O LTC4414 é um CI incrivelmente versátil que permite todo tipo de configurações para compartilhamento de carga e fornecimentos redundantes, é um CI que estou ansioso para usar em outros projetos no futuro.

Esta não é a solução perfeita. No entanto, tem algumas desvantagens—quando operada a partir do conversor AD-DC que veio com o roteador, o esquemático mostra esta entrada passando por um diodo que provoca uma queda de tensão e perdas na forma de calor. O diodo que escolhi tem a menor queda de tensão direta de qualquer diodo SMA para a sua classificação de corrente e tensão que consegui encontrar nos fornecedores que uso. Meu roteador continua a operar bem abaixo de 12V, então esta pequena queda de tensão não será um problema para a minha aplicação. Outras opções de topologia disponíveis usariam um MOSFET de Canal P para a fonte externa, o que eliminaria esta queda de tensão. No entanto, não testei essa topologia com um carregador de bateria, então estou optando pela segurança usando o que pude testar.

A outra desvantagem é que a entrada externa (a alimentação fornecida pela rede elétrica) deve ter um potencial pelo menos 20mV maior do que a alimentação de contingência para que possa usar a alimentação externa. Se a tensão da alimentação da rede cair, ela começará a compartilhar a carga com o backup de bateria para estabilizar a tensão. Isso poderia ser uma característica muito útil em outros projetos, mas provavelmente não será de grande utilidade para este projeto. Eu experimentei isso usando minha fonte de alimentação de laboratório, e o CI que estava testando começou a habilitar o gate assim que a alimentação redundante estava dentro de 20mV da alimentação externa.

VEXT é a alimentação de tensão externa, e VREG é a tensão da bateria aumentada.

Estou usando um conector JST PH para a saída, pois posso facilmente obter um conector JST PH (ou KR, que é compatível) para jack de barril para conectar no meu roteador.

Regulador Boost

Como mencionei acima, a tensão de entrada externa precisa ser pelo menos 20mV mais alta do que a tensão da fonte redundante. Portanto, não vou construir um regulador de 12V. Em vez disso, vou construir um regulador de 11,75V. Você provavelmente está pensando, 'bem, isso é 250mV mais baixo do que a saída, certamente você pode fazer melhor do que isso?' Bem, eu também pensei assim, mas depois de cerca de 10 minutos brincando com os valores dos resistores, decidi que 11,75V seria suficientemente bom. Estou usando o LT8362 da Analog Devices para um controlador de aumento, e ele tem uma entrada de feedback de 1,6V e bloqueio por sub-tensão um pouco fora do padrão. O melhor que consegui sem que as tolerâncias nos resistores me levassem muito perto de 11,98V foi 11,75V ou usando resistores de 0,1% ou 0,5% com valores de resistores decentes. Então, estou construindo um regulador de 11,75V para a fonte redundante! Isso também deve permitir uma queda de tensão no regulador AC-DC fornecido e alguma tolerância para a fonte de parede.

Este design simula ser 95% eficiente a uma frequência de comutação de 500kHz. Eu poderia ganhar um pouquinho mais de eficiência reduzindo para a frequência mínima de 300kHz que o dispositivo suporta; no entanto, o indutor então se torna grande demais para o tamanho da minha placa alvo. Operar em uma frequência mais baixa só proporciona um pequeno ganho de eficiência, então o compromisso por um tamanho um pouco menor vale a pena para mim.

Eu configurei o bloqueio por sub-tensão para 6.4V, então quando as células estão em um estado de descarga relativamente baixo, mas ainda seguro, o regulador vai parar de fornecer energia. Eu não gostaria que qualquer célula caísse abaixo de 2.9V (5.8V em série), e 3.2V é considerado um ponto seguro para descarregar uma célula de íon de lítio. As baterias que estou usando não têm proteção de célula embutida, então o regulador se desligar uma vez que a tensão da bateria atinja o ponto mínimo seguro é bastante importante.

Não me preocupei em desativar o regulador quando a fonte de alimentação externa está presente, e o regulador está sempre ligado e sempre pronto para um cenário de falha. Ao testar o design do banco, a troca de uma fonte para a outra foi instantânea e sem queda de tensão, mesmo com uma carga de 200mA e sem capacitância de saída. Ter um regulador sempre ligado garantirá que o UPS esteja pronto em um aviso de nanossegundo para assumir ou complementar a fonte externa se sua tensão começar a cair sob carga. Com a bateria sendo carregada lentamente sempre que a fonte externa está conectada, não estou preocupado com a ineficiência de manter o regulador ligado sem carga.

Design de PCB

Eu tenho um local específico onde quero colocar este UPS, então estou tentando manter o design em 100mm x 50mm. Eu poderia facilmente trapacear e colocar as baterias na parte inferior da placa, me dando muito espaço na parte superior para todos os componentes. No entanto, tenho que admitir que gosto da aparência das baterias e componentes de um lado! Eu gosto de fazer layouts em áreas compactas, é sempre um desafio interessante planejar e rotear sem fazer muitos sacrifícios ao design!

Depois de brincar um pouco, consegui dispor a placa de forma aproximadamente lógica para mim. O maior desafio é o indutor relativamente gigantesco para o regulador de 11,75V. O layout do regulador é determinado pelo pinout do CI e pela necessidade de reduzir o tamanho do loop de corrente tanto quanto possível, então realmente só existem duas maneiras de arranjar o regulador—como está, ou rotacionado 180 graus.

Eu não estava realmente satisfeito com a localização do CI do carregador contra a borda superior da placa; não há muita área para dissipação de calor em cobre ali. Também percebi que as baterias deveriam ser trocadas, de modo que o terminal positivo ficasse mais próximo da entrada da fonte de alimentação comutada. Ter o regulador de tensão entre as duas células melhorou o layout para o carregador de baterias e o regulador. Originalmente, eu tinha colocado o terminal positivo em direção à borda superior da PCB para otimizar a distância até o carregador, que eu havia colocado primeiro na placa. No entanto, isso aumentou a distância até o regulador de tensão e não proporcionou um bom caminho de corrente do terminal positivo para a entrada do regulador. A placa reorganizada está muito melhor, e estou feliz com ela.

O componente sob o suporte da bateria é o termistor NTC para terminar a carga se a bateria ficar muito quente ou para carregar a bateria muito lentamente se a célula estiver muito fria. Como mencionei anteriormente no artigo, provavelmente não será uma proteção muito eficaz. Ele só pode sentir uma célula da bateria e nem tem um bom contato para esse trabalho. Ao projetar o esquemático, fiquei em dúvida se deveria incluir o termistor ou não, mas imaginei que é provavelmente melhor ter uma proteção ineficiente do que nenhuma.

Estou apenas adicionando um plano de terra ao redor dos componentes, não há razão para ter um preenchimento de cobre sobre o resto da placa além de manter seu fabricante de placas feliz (menos uso de químicos). De qualquer forma, não fará muita diferença eletricamente para este projeto.

Com o design totalmente roteado, não foram necessários muitos sacrifícios para encaixar tudo. A placa é apenas longa o suficiente para caber o regulador de tensão, com um layout decente e caminho suficiente para que o calor seja conduzido para longe.

Roteamento concluído, eu apenas reorganizei os componentes e trilhas um pouco. A mudança final e importante é adicionar vias para ajudar a mover o calor de baixo da placa para o topo e garantir um bom caminho para a corrente. O carregador de bateria vai esquentar quando estiver na corrente de carga máxima, assim como o regulador de tensão. Ambos estão relativamente próximos, mas isso não me preocupa. Não deve haver um momento em que ambos os dispositivos gerem calor simultaneamente, pois ou a bateria está sendo carregada a partir da energia externa ou o regulador de tensão está fornecendo corrente para alimentar o dispositivo conectado. O regulador de tensão calcula cerca de 52c (aumento de temperatura de 27c) sob carga total, o que não é quente o suficiente para se preocupar em mudar o layout ou fornecer um caminho melhor de dissipação de calor.

Acho que a placa está com boa aparência— as células com um espaço entre elas para o carregador ficaram melhor do que eu esperava. Estou feliz em considerar este design como completo. Os LEDs do carregador serão bem visíveis ao longo da borda da placa, e os conectores de energia são fáceis de usar.

Finalmente

Embora seja construído como uma fonte de alimentação ininterrupta autônoma, você pode usar os conceitos presentes neste design para fornecer uma capacidade de backup de bateria aos seus próprios dispositivos. Os arquivos de design são de código aberto e estão disponíveis no GitHub, conforme mencionado no início do artigo. Com algumas pequenas alterações de componentes, este design poderia ser adaptado para fornecer uma corrente de saída maior ou uma tensão de saída diferente, conforme necessário para o seu próprio projeto.

O LTC4414 é um CI muito interessante, de longe o controlador OR/controlador de diodo ideal mais versátil que examinei nos últimos anos. Estou ansioso para testá-lo com algumas outras configurações em projetos futuros. A ficha técnica é uma leitura interessante com a ampla gama de aplicações apresentadas.

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