Бесперебойный источник питания постоянного тока 12В

Я живу в сельской местности, где часто бывают перебои с электроэнергией во время сильных ветров или бурь. Из-за этого мои компьютеры, серверы и сетевое оборудование подключены к относительно недорогим источникам бесперебойного питания. Все они работают на герметичных свинцово-кислотных аккумуляторах и не являются особенно эффективным способом питания устройств постоянного тока, таких как Raspberry Pi или интернет-маршрутизатор, поскольку входящее переменное напряжение сети заряжает аккумулятор постоянного тока, который затем создает переменное напряжение через инвертор, питающий преобразователь переменного тока в постоянный для обеспечения питания устройства постоянного тока. Мне показалось интересным создать небольшой ИБП, подходящий для питания моего ADSL-маршрутизатора, вместо использования целого ИБП переменного тока, посвященного ему.

Мой ADSL-маршрутизатор имеет питание 12В/1А, несмотря на то, что, вероятно, внутри он работает на 1.8-3.3В. В этом проекте я буду создавать ИБП 12В 1А. Как обычно, вы можете найти файлы проекта с открытым исходным кодом для Altium Designer на GitHub, лицензированные по лицензии MIT. Эта лицензия, по сути, позволяет вам делать с дизайном все, что угодно. Если вы ищете файлы библиотеки, этот проект был разработан с использованием моей Библиотеки с открытым исходным кодом для Altium Designer.

Выше представлена схема печатной платы (PCB), о которой вы будете читать в Altium 365 Viewer; это бесплатный способ связаться с вашими коллегами, клиентами и друзьями с возможностью просмотра дизайна или скачивания одним кликом! Загрузите ваш дизайн за считанные секунды и получите интерактивный способ подробно рассмотреть его без необходимости в тяжеловесном программном обеспечении или мощном компьютере.

Аккумуляторы

Свинцово-кислотные аккумуляторы невероятно экономичны с точки зрения стоимости за ватт-час энергии, но я хочу построить что-то более современное, компактное и легкое. Я буду питать свой ИБП двумя литий-полимерными элементами 18650, так как они предлагают отличную плотность энергии, скорость разряда и относительно высокую скорость зарядки. Если вы ищете аккумулятор для питания вашего следующего проекта, почему бы не ознакомиться с моей статьей на OctoPart о Выборе химии аккумулятора для вашего проекта. Элемент 18650 относительно дорог по сравнению с ватт-часом свинцово-кислотного аккумулятора, но мой ИБП не будет иметь большой нагрузки.

Элемент LG MJ1 имеет емкость 3500mAh, так что два элемента, соединенные последовательно, обеспечивают номинальную мощность 25.9Вт·ч. Это не так много, но с использованием 95% эффективного преобразователя постоянного тока в постоянный, я получу около 24.6Вт·ч доступной энергии, что обеспечит примерно два часа работы при номинальной нагрузке 1А. На самом деле это, скорее всего, позволит моему роутеру работать пять-шесть часов.

Я мог бы использовать один элемент или два элемента, соединенных параллельно, однако два элемента, соединенных последовательно, позволяют мне построить более эффективный повышающий преобразователь и предлагают гораздо больше вариантов для монолитных повышающих преобразователей.

Для крепления аккумуляторов на плате я выбрал простой путь и использую два формованных держателя аккумуляторов Keystone 1043. Они достаточно дешевы для меня и надежно удерживают элементы. Более дешевые способы использования сквозных контактных площадок на каждом конце элемента потребовали бы дополнительных усилий для надежного удержания элементов на месте — например, использование 3D-печатного корпуса, который мог бы выполнять ту же функцию, что и держатель аккумулятора Keystone 1043 полностью способен выполнять.

Зарядное устройство для аккумуляторов

Для зарядки аккумуляторов я буду использовать Skyworks AAT3663IWO-8.4-2-T1, двухэлементное зарядное устройство LiPo с входом термистора 10k NTC для термической защиты. Термистор может быть не особенно полезен в этом дизайне. Он вряд ли сможет коснуться одного аккумулятора, не говоря уже о двух, но это очень полезная опция при использовании пакета элементов в мягкой упаковке, который имеет встроенный термистор. Я все равно добавлю термистор на плату, но он будет установлен только под одним элементом.

AAT3663 позволяет заряжать два элемента последовательно с током до 1А, что даст мне время перезарядки около 3 часов. Это намного лучше, чем я мог бы получить от свинцово-кислотного аккумулятора, зарядка которого может занять до 24 часов. Быстрое время перезарядки в некоторой степени компенсирует относительно низкую емкость элементов в моем дизайне ИБП, позволяя ему справляться с множеством коротких, прерывистых падений питания в бурный день из-за короткого времени восстановления.

Схема очень проста в реализации, и все в основном соответствует рекомендуемым значениям в техническом описании — здесь особо не о чем думать. Резистор ISET R5 устанавливает ток на максимальные 1А. Светодиоды служат для отображения состояния зарядки.

Идеально, зарядное устройство для двух ячеек должно балансировать их и гарантировать, что одна из ячеек не будет перезаряжена. Перезаряженная/перенапряженная ячейка может стать причиной возгорания, поэтому это важно учитывать. Ячейки, которые я планирую использовать, довольно хорошо согласованы, так что мне просто нужно будет проверять напряжение ячеек вручную каждые два месяца или вынимать их для балансировки на одном из моих «более изысканных» зарядных устройств. Мне не удалось найти хороший недорогой вариант зарядного устройства для балансировки двухъячеечного литий-ионного аккумулятора среди рассмотренных мной вариантов, так что если у вас есть отличный артикул, оставьте комментарий к статье с вашим предложением!

Контроллер аварийного переключения на батарею

Существует несколько способов обеспечить аварийное переключение на батарею; однако, на мой взгляд, самым элегантным решением является LTC4414 от Analog Devices. При работе от батареи это обеспечивает наименьшие потери за счет горячей замены батареи через P-канальный MOSFET. LTC4414 - это невероятно универсальная микросхема, позволяющая использовать всевозможные конфигурации для совместного использования нагрузки и резервных источников питания, и это микросхема, с которой я с нетерпением жду возможности работать над другими проектами в будущем.

Это не идеальное решение. Однако у него есть несколько недостатков — когда оно работает от включенного преобразователя AD-DC, схема подключает этот вход через диод, который обеспечивает падение напряжения и потери в виде тепла. Диод, который я выбрал, имеет наименьшее прямое падение напряжения среди всех диодов SMA для его тока и напряжения, которые мне удалось найти у моих поставщиков. Мой роутер продолжает работать значительно ниже 12 В, так что это небольшое падение напряжения не будет проблемой для моего применения. Другие доступные топологические варианты могли бы использовать P-канальный MOSFET для внешнего источника питания, что устранило бы это падение напряжения. Однако я не тестировал эту топологию с зарядным устройством, поэтому я предпочел играть на безопасности, используя то, что мог протестировать.

Другим недостатком является то, что внешний вход (питание от сети) должен иметь потенциал как минимум на 20 мВ выше, чем резервный источник питания, чтобы использовать внешний источник. Если напряжение от сетевого источника падает, оно фактически начинает разделять нагрузку с резервным аккумулятором для стабилизации напряжения. Это могло бы быть очень полезной функцией в других проектах, но, вероятно, она не будет особенно полезна для этого проекта. Я экспериментировал с этим, используя моё лабораторное питание, и микросхема, которую я тестировал, начинала включать затвор, как только резервный источник оказывался в пределах 20 мВ от внешнего источника.

VEXT - это внешнее напряжение питания, а VREG - повышенное напряжение батареи.

Я использую разъем JST PH для выхода, так как мне легко получить переходник с JST PH (или KR, который совместим) на штекер типа "бочонок" для подключения к моему роутеру.

Повышающий регулятор

Как я упоминал выше, внешнее входное напряжение должно быть как минимум на 20 мВ выше, чем напряжение избыточного источника питания. Поэтому я не собираюсь строить регулятор на 12В. Вместо этого я собираюсь построить регулятор на 11,75В. Вы, наверное, думаете: «ну это на 250 мВ меньше, чем на выходе, разве вы не можете сделать лучше?» Ну, я тоже так думал, но после примерно 10 минут игры с значениями резисторов, я решил, что 11,75В будет достаточно хорошо. Я использую LT8362 от Analog Devices в качестве контроллера повышения напряжения, и он имеет обратную связь 1,6В и вход блокировки при пониженном напряжении, что немного нестандартно. Лучшее, что мне удалось получить без учета допусков на резисторах, которые слишком близко подводили меня к 11,98В, было 11,75В или использование резисторов с допуском 0,1% или 0,5% с приемлемыми значениями резисторов. Так что я строю регулятор на 11,75В для избыточного источника питания! Это также должно позволить компенсировать падение напряжения на подаваемом регуляторе AC-DC и некоторый запас по допуску на блоке питания от сети.

Этот дизайн имитирует эффективность до 95% при частоте переключения 500 кГц. Я мог бы немного увеличить эффективность, снизив частоту до минимальных 300 кГц, которые поддерживает устройство; однако, тогда индуктор становится слишком большим для моего целевого размера платы. Работа на более низкой частоте обеспечивает лишь небольшой прирост эффективности, поэтому компромисс в пользу немного меньшего размера для меня оправдан.

Я установил блокировку по низкому напряжению на уровне 6.4 В, так что когда элементы находятся в относительно низком, но все еще безопасном состоянии разряда, регулятор перестает подавать питание. Я бы не хотел, чтобы напряжение любого элемента опускалось ниже 2.9 В (5.8 В последовательно), а 3.2 В считается безопасной точкой разряда литий-ионного элемента. Используемые мной батареи не имеют встроенной защиты элементов, поэтому отключение регулятора, когда напряжение батареи достигает минимальной безопасной точки, довольно важно.

Я не стал отключать регулятор, когда подключено внешнее питание, и регулятор всегда включен и всегда готов к сценарию отказа. При тестировании конструкции стенда переключение с одного источника питания на другой происходило мгновенно и без падения напряжения, даже при нагрузке 200 мА и отсутствии выходной емкости. Наличие всегда включенного регулятора обеспечит готовность ИБП к перехвату или дополнению внешнего источника питания в течение наносекунды, если его напряжение начнет снижаться под нагрузкой. Поскольку батарея постоянно подзаряжается, когда подключено внешнее питание, я не беспокоюсь о неэффективности поддержания регулятора включенным без нагрузки.

Дизайн печатных плат

У меня есть определенное место, куда я хочу установить этот ИБП, поэтому я стараюсь соблюсти размеры 100 мм x 50 мм. Я мог бы легко обойти это, разместив батареи на нижней стороне платы, что дало бы мне много места на верхней стороне для всех компонентов. Однако я должен признать, что мне нравится вид батарей и компонентов с одной стороны! Мне нравится работать с компактными областями, это всегда интересный вызов для размещения и трассировки без слишком больших жертв для дизайна!

После некоторых экспериментов у меня получилось примерно расположить плату таким образом, который в основном кажется мне логичным. Самой большой проблемой является относительно гигантский индуктор для регулятора на 11.75 В. Расположение регулятора определяется распиновкой микросхемы и необходимостью максимально уменьшить размер петли тока, поэтому на самом деле есть только два способа размещения регулятора — как есть или повернутый на 180 градусов.

Мне действительно не нравилось расположение микросхемы зарядного устройства вплотную к верхнему краю платы; там не так много места для медного теплоотвода. Я также понял, что аккумуляторы следует поменять местами, чтобы положительный вывод был ближе к входу импульсного источника питания. Размещение регулятора напряжения между двумя элементами питания улучшило компоновку для зарядного устройства и регулятора. Изначально я разместил положительный вывод ближе к верхнему краю печатной платы, чтобы оптимизировать расстояние до зарядного устройства, которое я установил на плату первым. Однако это увеличило расстояние до регулятора напряжения и не обеспечило хорошего пути тока от положительного вывода к входу регулятора. Перерасположенная плата гораздо лучше, и я доволен результатом.

Компонент, расположенный под держателем батареи, - это термистор NTC для прекращения зарядки, если батарея слишком горячая, или для очень медленной зарядки батареи, если элемент слишком холодный. Как я упоминал ранее в статье, вероятно, это не будет слишком эффективной защитой. Он может контролировать только один элемент батареи и даже для этой задачи контакт у него не очень хороший. При разработке схемы я сомневался, стоит ли включать термистор, но решил, что, вероятно, лучше иметь неэффективную защиту, чем не иметь её вовсе.

Я добавляю заземляющий полигон только вокруг компонентов, нет причин делать медное покрытие на остальной части платы, кроме как для удовлетворения производителя плат (меньше использование химикатов). В любом случае, это не сделает большой разницы с электрической точки зрения для этого дизайна.

Когда дизайн был полностью проложен, не пришлось делать много жертв, чтобы всё уместить. Плата достаточно длинная, чтобы вместить в себя регулятор напряжения с приличной компоновкой и достаточным путём для отвода тепла.

Трассировка завершена, я лишь немного переместил компоненты и дорожки. Последнее, но не менее важное изменение - добавление переходных отверстий для перемещения тепла с нижней стороны платы на верхнюю и обеспечения хорошего пути для тока. Зарядное устройство будет нагреваться, когда работает с максимальным током заряда, как и стабилизатор напряжения. Оба эти элемента расположены довольно близко друг к другу, но это меня не беспокоит. Не должно быть такого момента, когда оба устройства одновременно генерируют тепло, поскольку либо аккумулятор заряжается от внешнего источника питания, либо стабилизатор напряжения обеспечивает ток для работы подключенного устройства. Расчетная температура стабилизатора напряжения составляет около 52°C (повышение на 27°C) при полной нагрузке, что не настолько горячо, чтобы беспокоиться о изменении компоновки или обеспечении лучшего пути рассеивания тепла.

Думаю, плата выглядит хорошо — ячейки с зазором между ними для зарядного устройства выглядят лучше, чем я надеялся. Я рад считать этот дизайн завершенным. Светодиоды зарядного устройства будут хорошо видны вдоль края платы, а разъемы питания удобны в использовании.

Наконец

Хотя это устройство создано как автономный источник бесперебойного питания, вы можете использовать концепции, заложенные в этом дизайне, чтобы обеспечить функцию резервного питания для ваших собственных устройств. Файлы дизайна являются открытыми и доступны на GitHub, как упоминалось в начале статьи. С небольшими изменениями компонентов, этот дизайн может быть адаптирован для обеспечения более высокого выходного тока или другого выходного напряжения, в зависимости от требований вашего проекта.

LTC4414 - очень интересная микросхема, безусловно, самый универсальный контроллер OR/идеальный диодный контроллер, который я рассматривал за последние годы. С нетерпением жду возможности испытать его в других конфигурациях в будущих проектах. Техническое описание представляет интерес для чтения с широким спектром представленных приложений.

Есть дополнительные вопросы? Обратитесь к эксперту в Altium.