12V 直流不间断电源

相信80/90后在农村长大的，都有这个体验：当有大风或暴风雨时，往往会断电。因此，我的计算机、服务器和网络设备都使用相对低成本的不间断电源。这些都在密封铅酸电池上运行，并不是为直流设备（如 Raspberry Pi 或互联网路由器）供电的一种过于高效的方式作为输入电源。AC 为 DC 电池充电，然后通过逆变器产生 AC 电源，该逆变器为 AC-DC 转换器供电，为 DC 设备供电。我认为制作一个适合为我的 ADSL 路由器供电的小型 UPS 会很有趣，而不是让整个 AC UPS 专门用于它。

我的 ADSL 路由器有一个 12V/1A 电源，尽管它可能在内部以 1.8-3.3v 运行。在这个项目中，我将创建一个 12V 1A UPS。像往常一样，您可以在GitHub 上找到开源 Altium Designer 项目文件，这些文件在 MIT 许可下获得许可。该许可证基本上允许您对设计进行任何您喜欢的操作。如果您正在寻找库文件，这个项目是用我的 Open Source Altium Designer Library 设计的。

以上是您将在Altium 365 Viewer 中阅读的 PCB 设计 ；一种与您的同事、客户和朋友联系的免费方式，只需单击一下按钮即可查看设计或下载！在几秒钟内上传您的设计，并以交互方式深入查看，无需任何笨重的软件或计算机功能。

铅酸电池每瓦时的能量非常经济，但我想制造一些更现代、更紧凑、更轻便的东西。我将使用两个 18650 锂聚合物电池为我的 UPS 供电，因为它们提供出色的功率密度、放电率和相对高速的充电。如果您想用电池为下一个项目供电，何不看看我在 OctoPart 上关于为您的项目选择电池化学成分的文章 。与铅酸电池相比，18650 电池每瓦时相对昂贵，但我的 UPS 不会承受巨大的负载。

一块 LG MJ1 电池的容量为 3500mAh，因此两个串联为我提供了标称 25.9Wh。它不是很多，但使用 95% 效率的 DC-DC 转换器，我将有大约 24.6Wh 的可用功率，在额定 1A 负载下提供大约两个小时的运行时间。实际上，这可能会使我的路由器运行五到六个小时。

我可以使用单个电池或并联的两个电池，但是，两个串联允许我构建更高效的升压转换器，并为单片升压转换器提供更多选项。

为了将电池安装在电路板上，我采用了简单的方法并使用了两个 Keystone 1043 模制电池座。它们对我来说足够便宜并且可以紧紧地固定住细胞。在电池的每一端使用通孔电池片的更便宜的方法需要额外的努力来将电池牢固地固定到位 - 例如可以完成Keystone 1043 电池座完全有能力完成的工作的 3D 打印外壳 。

对于电池充电，我将使用 Skyworks AAT3663IWO-8.4-2-T1，这是一款两节锂电池充电器，带有 10k NTC 热敏电阻输入以提供热保护。热敏电阻在这种设计中可能不是特别有用。它不会完全接触一个电池，更不用说两者了——但是当使用具有内置热敏电阻的软包电池组时，它是一个非常有用的选择。我仍然会在板上添加一个热敏电阻，但它只会安装在一个电池下。

AAT3663 允许以高达 1A 的电流为串联的两个电池充电，这将给我大约 3 小时的充电时间。这比我从铅酸电池中得到的要好得多，铅酸电池可能长达 24 小时。快速充电时间在一定程度上弥补了我的 UPS 设计中电池容量相对较低的问题，由于恢复时间短，它可以在暴风雨天处理许多短暂的间歇性断电。

原理图实现起来非常简单，所有内容几乎都只是数据表推荐的值——对此无需考虑太多。ISET 电阻器 R5 将电流设置为最大 1A。LED 用于显示充电状态。

理想情况下，两节电池充电器应该平衡电池并确保一个电池不会过度充电。过充电/过电压的电池可能会引起火灾，因此需要注意这一点。我计划使用的电池非常匹配，因此这将只需要我每隔一个月左右手动检查一次电池电压，或者将它们取出以在我的“高级”充电器之一上保持平衡。在我看过的选项中，我无法找到平衡两芯锂离子电池充电器的低成本选项，所以如果您有很好的部件号，请在文章中发表评论并提出您的建议！

有多种方法可以为电池提供故障转移；然而，我觉得最优雅的解决方案是 Analog Devices LTC4414。当使用电池运行时，这通过 P 沟道 MOSFET 热插拔电池来提供最低损耗配置。LTC4414 是一款非常通用的 IC，允许进行各种负载共享和冗余电源配置，我期待在未来的其他项目中使用它。

这不是完美的解决方案。然而，它有一些缺点——当运行路由器随附的 AD-DC 转换器时，原理图使该输入通过一个二极管运行，该二极管提供压降和热量损失。我选择的二极管在任何 SMA 二极管中具有最低的正向压降，因为它的电流和电压额定值是我在我使用的供应商处找到的。我的路由器在远低于 12V 的情况下继续运行，所以这个小电压降对我的应用来说不是问题。其他可用的拓扑选项将使用 P 沟道 MOSFET 作为外部电源，这将消除此电压降。但是，我没有使用电池充电器测试该拓扑结构，因此我可以使用我可以测试的内容进行安全测试。

另一个缺点是外部输入（主电源）必须比故障转移电源的电位至少高 20mV，才能使用外部电源。如果墙上电源的电压下降，它实际上会开始与备用电池进行负载共享以稳定电压。这在其他项目中可能是一个非常有用的功能，但它可能不会对这个项目有太大用处。我用我的实验室电源玩过这个，一旦冗余电源在外部电源的 20mV 以内，我正在测试的 IC 就开始启用栅极。

VEXT 是外部电源电压，VREG 是升压后的电池电压。

我使用 JST PH 连接器作为输出，因为我可以轻松地将 JST PH（或兼容的 KR）连接到桶形插孔连接器以插入我的路由器。

正如我上面提到的，外部输入电压需要至少比冗余电源电压高 20mV。因此，我不打算构建 12V 稳压器。相反，我将构建一个 11.75V 稳压器。您可能会想，'好吧，这比输出低 250mV，您肯定可以做得更好吗？嗯，我也是这么认为的，但是在玩了大约 10 分钟的电阻值之后，我决定 11.75V 就足够了。我将 ADI 公司的 LT8362 用于升压控制器，它具有 1.6V 反馈和欠压锁定输入，这有点非标准。在没有让我太接近 11.98V 的电阻容差的情况下，我能得到的最好是 11.75V 或使用 0.1% 或 0.5% 的电阻器和合适的电阻值。所以我正在为冗余电源构建一个 11.75V 稳压器！

此设计在 500kHz 开关频率下的仿真效率为 95%。通过降低到设备支持的最低 300kHz，我可以获得更高的效率；然而，电感器对于我的目标板尺寸来说变得太大了。以较低频率运行只会提供很小的效率增益，因此对我来说，稍微小一点的尺寸是值得的。

我的欠压锁定起始电压为 6.4V，因此当电池处于相对较低但仍然安全的放电状态时，稳压器将停止供电。我不希望任一电池低于 2.9V（5.8V 系列），并且 3.2V 被认为是为锂离子电池放电的安全点。我使用的电池没有内置电池保护，因此一旦电池电压达到最低安全点，调节器就会自行关闭是相当重要的。

当存在外部电源时，我没有费心去禁用调节器，而且调节器始终处于开启状态并随时准备好进行故障转移。在测试工作台的设计时，从一个电源到另一个电源的切换是瞬时的，并且没有电压下降，即使在 200mA 负载和没有输出电容的情况下也是如此。如果 UPS 的电压在负载下开始下降，则拥有一个始终开启的稳压器将确保 UPS 在几纳秒的通知内准备好接管或补充外部电源。每当连接外部电源时，电池都会进行涓流充电，因此我不担心在空载时保持稳压器工作效率低下。

我有一个特别的地方想安装这个 UPS，所以我试图将设计保持在 100 毫米 x 50 毫米。我可以很容易地作弊并将电池放在电路板的底部，从而为所有组件的顶部提供大量空间。但是，我不得不承认我喜欢一侧的电池和组件的外观！我喜欢在紧凑的区域进行布局，布局和路线总是一个有趣的挑战，而不会对设计做出太多牺牲！

在玩了一会儿之后，我以一种对我来说最有意义的方式粗略地布置了电路板。最大的挑战是 11.75V 稳压器的相对巨大的电感。稳压器的布局由 IC 的引脚排列和尽可能减小电流回路尺寸的需要决定，因此实际上只有两种方法可以布置稳压器——按原样或旋转 180 度。

我对充电器 IC 靠在电路板顶部边缘的位置不太满意。那里没有很多铜散热区域。我还意识到应该更换电池，因此正极端子最靠近开关模式电源输入。两节电池之间的稳压器改进了电池充电器和稳压器的布局。我最初将正极端子朝向 PCB 的顶部边缘，以优化与充电器的距离，我首先将其放置在板上。然而，这增加了到电压调节器的距离，并且没有提供从正极端子到调节器输入的大电流路径。重新安排的董事会要好得多，我很满意。

电池座下方的组件是 NTC 热敏电阻，用于在电池过热时终止充电或在电池太冷时非常缓慢地为电池充电。正如我在文章前面提到的，它可能不会是过于有效的保护。它只能感应一个电池，即使是那个工作也不能很好地接触。在设计原理图时，我曾争论是否要包括热敏电阻，但我认为最好有低效的保护而不是根本没有。

我只是在组件周围添加接地浇注，除了让您的电路板制造商满意（减少化学品使用）之外，没有理由在电路板的其余部分浇铜。无论哪种方式，它都不会对这种设计产生太大的电气影响。

设计完全布线后，没有太多的牺牲可以适应所有东西。电路板的长度刚好足以安装稳压器，布局合理，有足够的路径来传导热量。

布线完成后，我只稍微移动了组件和走线。最后一个重要的变化是添加通孔以帮助将热量从电路板底部转移到顶部并确保良好的电流路径。电池充电器在充满电时会变热，电压调节器也会变热。这两者都比较接近，但我不介意这一点。两个设备不应同时发热，因为电池正在从外部电源充电，或者电压调节器正在提供电流以运行连接的设备。电压调节器在满载情况下计算到52℃左右（温升27℃），不够热，不用担心改变布局或提供更好的散热路径。

我认为电路板看起来不错 - 充电器之间有间隙的电池看起来比我希望的要好。我很高兴称这个设计完成了。充电器的 LED 灯沿电路板边缘清晰可见，电源连接器易于使用。

虽然这是作为独立的不间断电源构建的，但您可以使用此设计中的概念为您自己的设备提供电池备份功能。如本文开头所述，设计文件是开源的，可在 GitHub 上获得。通过一些轻微的组件更改，此设计可以根据您自己的项目的需要进行调整，以提供更高的输出电流或不同的输出电压。

LTC4414 是一款非常有趣的 IC，是我过去几年看过的最通用的 OR 控制器/理想二极管控制器 IC。我期待在未来的项目中尝试使用其他一些配置。数据表提供了一个有趣的阅读范围，提供了广泛的应用。