Nguồn cấp điện không ngắt 12V DC

Tôi sống trong một làng quê thường xuyên gặp phải tình trạng mất điện không ổn định khi có gió lớn hoặc bão. Vì lý do này, máy tính, máy chủ và thiết bị mạng của tôi đều được kết nối với các nguồn cung cấp điện không ngắt quãng có giá cả phải chăng. Tất cả chúng đều sử dụng ắc quy axit chì kín và không phải là cách hiệu quả để cung cấp điện cho các thiết bị DC như Raspberry Pi hay bộ định tuyến internet vì dòng điện AC từ lưới điện chính sẽ sạc ắc quy DC, sau đó tạo ra điện AC thông qua bộ chuyển đổi để cung cấp điện cho thiết bị DC. Tôi nghĩ rằng sẽ thú vị khi tạo ra một UPS nhỏ phù hợp để cung cấp điện cho bộ định tuyến ADSL của mình, thay vì phải sử dụng một UPS AC toàn bộ chỉ dành cho nó.

Bộ định tuyến ADSL của tôi có nguồn cung cấp 12V/1A, mặc dù thực tế nó có thể đang hoạt động ở mức 1.8-3.3v bên trong. Trong dự án này, tôi sẽ tạo ra một UPS 12V 1A. Như thường lệ, bạn có thể tìm thấy các tệp dự án mã nguồn mở Altium Designer trên GitHub, được cấp phép theo giấy phép MIT. Giấy phép này cơ bản cho phép bạn làm bất cứ điều gì bạn muốn với thiết kế. Nếu bạn đang tìm kiếm các tệp thư viện, dự án này được thiết kế với Thư Viện Altium Designer Mã Nguồn Mở của tôi.

Phía trên là thiết kế PCB mà bạn sẽ được đọc về trong Altium 365 Viewer; một cách miễn phí để kết nối với đồng nghiệp, khách hàng và bạn bè với khả năng xem thiết kế hoặc tải xuống chỉ với một cú nhấp chuột! Tải lên thiết kế của bạn trong vài giây và có một cách tương tác để xem xét kỹ lưỡng mà không cần phần mềm cồng kềnh hay sức mạnh máy tính.

Ắc quy

Ắc quy axit chì có giá thành hiệu quả về mỗi watt giờ năng lượng, nhưng tôi muốn xây dựng một cái gì đó hiện đại hơn, gọn nhẹ và nhẹ. Tôi sẽ cung cấp năng lượng cho UPS của mình bằng hai cell lithium polymer 18650, vì chúng cung cấp mật độ năng lượng xuất sắc, tốc độ xả và tốc độ sạc tương đối nhanh. Nếu bạn đang tìm cách cung cấp năng lượng cho dự án tiếp theo của mình bằng ắc quy, tại sao không xem bài viết của tôi trên OctoPart về Chọn Hóa Chất Ắc Quy cho Dự Án của Bạn. Một cell 18650 có giá khá cao về mỗi watt giờ so với ắc quy axit chì, nhưng UPS của tôi sẽ không có tải nặng.

Một pin LG MJ1 có dung lượng 3500mAh, vì vậy hai pin mắc nối tiếp sẽ cung cấp cho tôi một công suất danh định là 25.9Wh. Nó không nhiều, nhưng với bộ chuyển đổi DC-DC có hiệu suất 95%, tôi sẽ có khoảng 24.6Wh có thể sử dụng, cung cấp khoảng hai giờ thời gian hoạt động với tải định mức 1A. Trên thực tế, điều này có thể chạy router của tôi trong năm đến sáu giờ.

Tôi có thể sử dụng một pin đơn, hoặc hai pin mắc song song, tuy nhiên, hai pin mắc nối tiếp cho phép tôi xây dựng một bộ tăng áp hiệu quả hơn và cung cấp nhiều lựa chọn hơn cho các bộ tăng áp đơn khối.

Để gắn pin vào bảng mạch, tôi chọn cách dễ dàng và sử dụng hai giá đỡ pin được đúc sẵn Keystone 1043. Chúng đủ rẻ cho tôi và giữ chặt các cell pin. Các cách rẻ hơn như sử dụng các tab pin xuyên lỗ ở mỗi đầu của cell sẽ yêu cầu nỗ lực bổ sung để giữ chặt các cell pin—như một vỏ in 3D sẽ làm công việc mà giá đỡ pin Keystone 1043 hoàn toàn có khả năng thực hiện.

Bộ Sạc Pin

Để sạc pin, tôi sẽ sử dụng Skyworks AAT3663IWO-8.4-2-T1, một bộ sạc LiPo hai cell với đầu vào thermistor NTC 10k để bảo vệ nhiệt. Thermistor có thể không thực sự hữu ích trong thiết kế này. Nó không thể chạm vào một pin, chưa nói đến cả hai - nhưng đây là một lựa chọn rất hữu ích khi sử dụng gói pin túi có thermistor tích hợp. Tôi vẫn sẽ thêm một thermistor vào bảng mạch, nhưng nó chỉ được lắp dưới một cell.

AAT3663 cho phép sạc hai cell nối tiếp với dòng lên đến 1A, điều này sẽ cho tôi khoảng 3 giờ thời gian sạc lại. Điều này tốt hơn nhiều so với pin axit chì, có thể lên đến 24 giờ. Thời gian sạc nhanh phần nào bù đắp cho dung lượng tương đối thấp của các cell trong thiết kế UPS của tôi, cho phép nó xử lý nhiều đợt mất điện ngắn, gián đoạn trong một ngày bão bởi vì thời gian phục hồi ngắn.

Sơ đồ mạch rất đơn giản để thực hiện, và mọi thứ hầu như chỉ là các giá trị được khuyến nghị trong datasheet - không có nhiều điều để suy nghĩ về điều này. Điện trở ISET R5 thiết lập dòng điện tối đa là 1A. Các LED được sử dụng để hiển thị trạng thái sạc.

Lý tưởng nhất, một bộ sạc hai cell nên cân bằng các cell và đảm bảo rằng một cell không bị sạc quá mức. Một cell bị sạc quá mức/có điện áp quá cao có thể là nguy cơ cháy, vì vậy đây là điều cần lưu ý. Các cell mà tôi dự định sử dụng khá phù hợp với nhau, vì vậy điều này chỉ yêu cầu tôi kiểm tra điện áp của các cell thủ công mỗi hai tháng một lần, hoặc tháo chúng ra để cân bằng trên một trong những bộ sạc ‘cao cấp’ của tôi. Tôi không thể tìm thấy một lựa chọn giá thấp tốt cho bộ sạc lithium-ion hai cell có khả năng cân bằng trong các lựa chọn mà tôi đã xem, vì vậy nếu bạn có một số phận tốt, hãy để lại bình luận trên bài viết với gợi ý của bạn!

Bộ Điều Khiển Chuyển Đổi Pin Dự Phòng

Có nhiều cách để cung cấp chức năng chuyển đổi cho pin; tuy nhiên, tôi cảm thấy giải pháp tinh tế nhất là Analog Devices LTC4414. Khi hoạt động bằng pin, thiết bị này cung cấp cấu hình tổn thất thấp nhất bằng cách chuyển đổi pin qua một MOSFET P-Channel. LTC4414 là một IC cực kỳ linh hoạt cho phép tất cả các loại cấu hình cho việc chia sẻ tải và nguồn dự phòng, đây là một IC mà tôi mong đợi sử dụng trong các dự án khác trong tương lai.

Đây không phải là giải pháp hoàn hảo. Tuy nhiên, nó có một số hạn chế—khi chạy bằng bộ chuyển đổi AD-DC đi kèm với bộ định tuyến, sơ đồ mạch có đầu vào này chạy qua một diode gây ra sụt áp và tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt. Diode mà tôi đã chọn có sụt áp thuận thấp nhất trong số các diode SMA cho dòng và điện áp định mức mà tôi có thể tìm thấy từ các nhà cung cấp mà tôi sử dụng. Bộ định tuyến của tôi tiếp tục hoạt động tốt dưới 12V, vì vậy sụt áp nhỏ này sẽ không phải là vấn đề đối với ứng dụng của tôi. Các lựa chọn cấu trúc khác có sẵn sẽ sử dụng MOSFET kênh P cho nguồn cung cấp bên ngoài, điều này sẽ loại bỏ sụt áp này. Tuy nhiên, tôi không thử nghiệm cấu trúc đó với bộ sạc pin, vì vậy tôi chọn cách an toàn bằng cách sử dụng những gì tôi có thể kiểm tra.

Nhược điểm khác là nguồn vào bên ngoài (nguồn cung cấp được cấp điện từ lưới điện) phải có điện áp cao hơn ít nhất 20mV so với nguồn dự phòng để có thể sử dụng nguồn cung bên ngoài. Nếu điện áp từ nguồn lưới giảm, nó sẽ thực sự bắt đầu chia sẻ tải với pin dự phòng để ổn định điện áp. Điều này có thể là một tính năng rất hữu ích trong các dự án khác, nhưng có lẽ nó sẽ không thực sự hữu ích cho dự án này. Tôi đã thử nghiệm điều này với nguồn điện phòng thí nghiệm của mình, và IC mà tôi đang kiểm tra bắt đầu kích hoạt cổng ngay khi nguồn dự phòng cách nguồn bên ngoài trong khoảng 20mV.

VEXT là nguồn điện áp bên ngoài, và VREG là điện áp pin được tăng cường.

Tôi sử dụng một kết nối JST PH cho đầu ra, vì tôi có thể dễ dàng lấy một kết nối JST PH (hoặc KR, tương thích) với jack cắm vào router của mình.

Bộ Điều Chỉnh Tăng Áp

Như tôi đã đề cập ở trên, điện áp đầu vào bên ngoài cần phải cao hơn ít nhất 20mV so với điện áp nguồn dự phòng. Do đó, tôi sẽ không xây dựng một bộ điều chỉnh 12V. Thay vào đó, tôi sẽ xây dựng một bộ điều chỉnh 11.75V. Có lẽ bạn đang nghĩ, 'vậy thì thấp hơn 250mV so với đầu ra, chắc chắn bạn có thể làm tốt hơn thế chứ?' Vâng, tôi cũng đã nghĩ như vậy, nhưng sau khoảng 10 phút chơi với các giá trị điện trở, tôi quyết định rằng 11.75V sẽ đủ tốt. Tôi sử dụng LT8362 của Analog Devices cho một bộ điều khiển tăng áp, và nó có một đầu vào phản hồi 1.6V và khóa dưới điện áp không chuẩn một chút. Tốt nhất tôi có thể đạt được mà không làm cho các giá trị điện trở không chính xác đưa tôi quá gần với 11.98V là 11.75V hoặc sử dụng các điện trở 0.1% hoặc 0.5% với các giá trị điện trở tốt. Vì vậy, tôi đang xây dựng một bộ điều chỉnh 11.75V cho nguồn dự phòng! Điều này cũng nên cho phép giảm điện áp trên bộ điều chỉnh AC-DC được cung cấp và một số khoản dung cho sự chênh lệch trên nguồn cung cấp tường.

Thiết kế này mô phỏng đạt hiệu suất 95% với tần số chuyển mạch 500kHz. Tôi có thể đạt được một chút hiệu suất cao hơn nữa bằng cách giảm xuống tần số tối thiểu 300kHz mà thiết bị hỗ trợ; tuy nhiên, cuộn cảm sau đó sẽ to hơn quá mức so với kích thước bảng mạch mục tiêu của tôi. Chạy ở tần số thấp hơn chỉ mang lại một lợi ích nhỏ về hiệu suất, vì vậy việc đánh đổi để có kích thước nhỏ hơn một chút là đáng giá với tôi.

Tôi đã thiết lập khóa điện áp thấp ở mức 6.4V, vì vậy khi các cell ở trạng thái xả khá thấp nhưng vẫn an toàn, bộ điều chỉnh sẽ ngừng cung cấp điện. Tôi không muốn bất kỳ cell nào giảm xuống dưới 2.9V (5.8V khi mắc nối tiếp), và 3.2V được coi là điểm an toàn để xả một cell lithium-ion. Các pin tôi đang sử dụng không có bảo vệ cell tích hợp, vì vậy việc bộ điều chỉnh tự tắt khi điện áp pin đạt đến điểm an toàn tối thiểu là khá quan trọng.

Tôi không bận tâm tới việc vô hiệu hóa bộ điều chỉnh khi nguồn cung cấp ngoại vi có mặt, và bộ điều chỉnh luôn được bật và sẵn sàng cho tình huống chuyển đổi không ngừng. Khi kiểm tra thiết kế của bàn thí nghiệm, việc chuyển đổi từ nguồn này sang nguồn khác diễn ra ngay lập tức và không có sự sụt giảm điện áp, ngay cả với tải 200mA và không có dung lượng tụ điện đầu ra. Việc có một bộ điều chỉnh luôn bật sẽ đảm bảo UPS sẵn sàng trong nháy mắt để tiếp quản hoặc bổ sung cho nguồn cung cấp ngoại vi nếu điện áp của nó bắt đầu giảm dưới tải. Với việc pin được sạc nhỏ giọt mỗi khi nguồn cung cấp ngoại vi được kết nối, tôi không lo lắng về sự không hiệu quả của việc giữ bộ điều chỉnh bật mà không có tải.

Thiết kế PCB

Tôi có một vị trí cụ thể mà tôi muốn đặt UPS này vào, vì vậy tôi đang cố gắng giữ thiết kế ở kích thước 100mm x 50mm. Tôi có thể dễ dàng gian lận và đặt pin ở mặt dưới của bảng mạch, cho tôi nhiều không gian trên mặt trên cho tất cả các linh kiện. Tuy nhiên, tôi phải thừa nhận rằng tôi thích vẻ ngoài của pin và linh kiện ở một bên! Tôi thích làm việc với các bố cục trong không gian nhỏ, luôn là một thách thức thú vị để sắp xếp và định tuyến mà không phải hy sinh quá nhiều cho thiết kế!

Sau một hồi nghịch ngợm, tôi đã sắp xếp bảng mạch một cách đại khái theo cách mà tôi thấy hợp lý nhất. Thách thức lớn nhất là cuộn cảm khá to lớn cho bộ điều chỉnh 11.75V. Bố cục của bộ điều chỉnh được quyết định bởi chân IC và nhu cầu giảm kích thước vòng dòng điện càng nhiều càng tốt, vì vậy chỉ có thực sự hai cách có thể sắp xếp bộ điều chỉnh—như hiện tại, hoặc xoay 180 độ.

Tôi không thực sự hài lòng với vị trí của IC sạc ở ngay cạnh trên của bảng mạch; ở đó không có nhiều diện tích cho việc tản nhiệt bằng đồng. Tôi cũng nhận ra rằng cần phải đổi chỗ các pin, sao cho cực dương gần với nguồn cấp điện chuyển mạch nhất. Việc có bộ điều chỉnh điện áp giữa hai cell đã cải thiện bố cục cho bộ sạc pin và bộ điều chỉnh. Ban đầu, tôi đã đặt cực dương về phía cạnh trên của PCB để tối ưu khoảng cách đến bộ sạc, mà tôi đã đặt trên bảng mạch đầu tiên. Tuy nhiên, điều này đã làm tăng khoảng cách đến bộ điều chỉnh điện áp và không cung cấp một đường dẫn dòng điện tốt từ cực dương đến ngõ vào của bộ điều chỉnh. Bảng mạch được sắp xếp lại tốt hơn nhiều, và tôi hài lòng với nó.

Thành phần nằm dưới giá đỡ pin là điện trở NTC để ngừng sạc nếu pin quá nóng hoặc để sạc pin rất chậm nếu cell quá lạnh. Như tôi đã đề cập trước đó trong bài viết, nó có lẽ không phải là bảo vệ quá hiệu quả. Nó chỉ có thể cảm nhận một cell pin, và không có tiếp xúc tốt ngay cả với công việc đó. Khi thiết kế sơ đồ mạch, tôi đã phân vân không biết có nên bao gồm điện trở NTC hay không, nhưng nghĩ rằng có lẽ tốt hơn là có bảo vệ không hiệu quả còn hơn là không có gì cả.

Tôi chỉ thêm một lớp đất xung quanh các thành phần, không có lý do gì để có lớp đồng phủ trên phần còn lại của bảng mạch ngoài việc làm cho nhà sản xuất bảng mạch của bạn hài lòng (sử dụng ít hóa chất hơn). Dù sao đi nữa, nó cũng không tạo ra nhiều sự khác biệt về mặt điện cho thiết kế này.

Với thiết kế hoàn toàn được định tuyến, không có nhiều sự hy sinh phải thực hiện để vừa vặn mọi thứ vào. Bảng mạch chỉ đủ dài để chứa bộ điều chỉnh điện áp, với bố cục tốt và đường dẫn đủ để nhiệt được dẫn đi.

Việc định tuyến đã hoàn tất, tôi chỉ điều chỉnh các thành phần và đường dẫn một chút xíu. Thay đổi cuối cùng nhưng quan trọng là thêm các via để giúp di chuyển nhiệt từ phía dưới bảng mạch lên phía trên và đảm bảo một đường dẫn dòng điện tốt. Bộ sạc pin sẽ nóng lên khi nó ở dòng sạc đầy, cũng như bộ điều chỉnh điện áp. Cả hai đều tương đối gần nhau, nhưng điều này không làm tôi lo lắng. Không nên có thời điểm cả hai thiết bị cùng phát nhiệt đồng thời, vì hoặc là pin đang được sạc từ nguồn ngoại vi hoặc bộ điều chỉnh điện áp đang cung cấp dòng điện để vận hành thiết bị kết nối. Bộ điều chỉnh điện áp tính toán khoảng 52c (tăng nhiệt 27c) dưới tải đầy, điều này không đủ nóng để lo lắng về việc thay đổi bố cục hoặc cung cấp một con đường tản nhiệt tốt hơn.

Tôi nghĩ bảng mạch trông tốt—các ô với khoảng cách giữa chúng cho bộ sạc trông tốt hơn tôi mong đợi. Tôi hài lòng khi gọi thiết kế này là hoàn chỉnh. Đèn LED của bộ sạc sẽ rất dễ nhìn dọc theo cạnh của bảng mạch, và các kết nối nguồn dễ sử dụng.

Cuối cùng

Mặc dù được xây dựng như một nguồn cung cấp điện không gián đoạn độc lập, bạn có thể sử dụng các khái niệm trong thiết kế này để cung cấp khả năng dự phòng bằng pin cho các thiết bị của riêng bạn. Các tệp thiết kế là mã nguồn mở và có sẵn trên GitHub, như đã đề cập ở đầu bài viết. Với một số thay đổi linh kiện nhỏ, thiết kế này có thể được điều chỉnh để cung cấp dòng điện đầu ra cao hơn hoặc điện áp đầu ra khác nhau tùy theo yêu cầu của dự án của bạn.

LTC4414 là một IC rất thú vị, chắc chắn là IC điều khiển OR/điốt lý tưởng đa năng nhất mà tôi đã xem xét trong những năm qua. Tôi mong chờ được thử nghiệm nó với một số cấu hình khác trong các dự án tương lai. Bảng dữ liệu cung cấp một cái nhìn thú vị với phạm vi ứng dụng rộng lớn được trình bày.

Bạn có thêm câu hỏi? Hãy gọi cho chuyên gia tại Altium.