相信80/90后在農(nóng)村長(zhǎng)大的，都有這個(gè)體驗(yàn)：當(dāng)有大風(fēng)或暴風(fēng)雨時(shí)，往往會(huì)斷電。因此，我的計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都使用相對(duì)低成本的不間斷電源。這些都在密封鉛酸電池上運(yùn)行，并不是為直流設(shè)備（如 Raspberry Pi 或互聯(lián)網(wǎng)路由器）供電的一種過(guò)于高效的方式作為輸入電源。AC 為 DC 電池充電，然后通過(guò)逆變器產(chǎn)生 AC 電源，該逆變器為 AC-DC 轉(zhuǎn)換器供電，為 DC 設(shè)備供電。我認(rèn)為制作一個(gè)適合為我的 ADSL 路由器供電的小型 UPS 會(huì)很有趣，而不是讓整個(gè) AC UPS 專門用于它。

我的 ADSL 路由器有一個(gè) 12V/1A 電源，盡管它可能在內(nèi)部以 1.8-3.3v 運(yùn)行。在這個(gè)項(xiàng)目中，我將創(chuàng)建一個(gè) 12V 1A UPS。像往常一樣，您可以在GitHub 上找到開(kāi)源 Altium Designer 項(xiàng)目文件，這些文件在 MIT 許可下獲得許可。該許可證基本上允許您對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行任何您喜歡的操作。如果您正在尋找?guī)煳募?，這個(gè)項(xiàng)目是用我的 Open Source Altium Designer Library 設(shè)計(jì)的。

以上是您將在Altium 365 Viewer 中閱讀的 PCB 設(shè)計(jì) ；一種與您的同事、客戶和朋友聯(lián)系的免費(fèi)方式，只需單擊一下按鈕即可查看設(shè)計(jì)或下載！在幾秒鐘內(nèi)上傳您的設(shè)計(jì)，并以交互方式深入查看，無(wú)需任何笨重的軟件或計(jì)算機(jī)功能。

鉛酸電池每瓦時(shí)的能量非常經(jīng)濟(jì)，但我想制造一些更現(xiàn)代、更緊湊、更輕便的東西。我將使用兩個(gè) 18650 鋰聚合物電池為我的 UPS 供電，因?yàn)樗鼈兲峁┏錾墓β拭芏取⒎烹娐屎拖鄬?duì)高速的充電。如果您想用電池為下一個(gè)項(xiàng)目供電，何不看看我在 OctoPart 上關(guān)于為您的項(xiàng)目選擇電池化學(xué)成分的文章 。與鉛酸電池相比，18650 電池每瓦時(shí)相對(duì)昂貴，但我的 UPS 不會(huì)承受巨大的負(fù)載。

一塊 LG MJ1 電池的容量為 3500mAh，因此兩個(gè)串聯(lián)為我提供了標(biāo)稱 25.9Wh。它不是很多，但使用 95% 效率的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，我將有大約 24.6Wh 的可用功率，在額定 1A 負(fù)載下提供大約兩個(gè)小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間。實(shí)際上，這可能會(huì)使我的路由器運(yùn)行五到六個(gè)小時(shí)。

我可以使用單個(gè)電池或并聯(lián)的兩個(gè)電池，但是，兩個(gè)串聯(lián)允許我構(gòu)建更高效的升壓轉(zhuǎn)換器，并為單片升壓轉(zhuǎn)換器提供更多選項(xiàng)。

為了將電池安裝在電路板上，我采用了簡(jiǎn)單的方法并使用了兩個(gè) Keystone 1043 模制電池座。它們對(duì)我來(lái)說(shuō)足夠便宜并且可以緊緊地固定住細(xì)胞。在電池的每一端使用通孔電池片的更便宜的方法需要額外的努力來(lái)將電池牢固地固定到位 - 例如可以完成Keystone 1043 電池座完全有能力完成的工作的 3D 打印外殼 。

對(duì)于電池充電，我將使用 Skyworks AAT3663IWO-8.4-2-T1，這是一款兩節(jié)鋰電池充電器，帶有 10k NTC 熱敏電阻輸入以提供熱保護(hù)。熱敏電阻在這種設(shè)計(jì)中可能不是特別有用。它不會(huì)完全接觸一個(gè)電池，更不用說(shuō)兩者了——但是當(dāng)使用具有內(nèi)置熱敏電阻的軟包電池組時(shí)，它是一個(gè)非常有用的選擇。我仍然會(huì)在板上添加一個(gè)熱敏電阻，但它只會(huì)安裝在一個(gè)電池下。

AAT3663 允許以高達(dá) 1A 的電流為串聯(lián)的兩個(gè)電池充電，這將給我大約 3 小時(shí)的充電時(shí)間。這比我從鉛酸電池中得到的要好得多，鉛酸電池可能長(zhǎng)達(dá) 24 小時(shí)。快速充電時(shí)間在一定程度上彌補(bǔ)了我的 UPS 設(shè)計(jì)中電池容量相對(duì)較低的問(wèn)題，由于恢復(fù)時(shí)間短，它可以在暴風(fēng)雨天處理許多短暫的間歇性斷電。

原理圖實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，所有內(nèi)容幾乎都只是數(shù)據(jù)表推薦的值——對(duì)此無(wú)需考慮太多。ISET 電阻器 R5 將電流設(shè)置為最大 1A。LED 用于顯示充電狀態(tài)。

理想情況下，兩節(jié)電池充電器應(yīng)該平衡電池并確保一個(gè)電池不會(huì)過(guò)度充電。過(guò)充電/過(guò)電壓的電池可能會(huì)引起火災(zāi)，因此需要注意這一點(diǎn)。我計(jì)劃使用的電池非常匹配，因此這將只需要我每隔一個(gè)月左右手動(dòng)檢查一次電池電壓，或者將它們?nèi)〕鲆栽谖业摹案呒?jí)”充電器之一上保持平衡。在我看過(guò)的選項(xiàng)中，我無(wú)法找到平衡兩芯鋰離子電池充電器的低成本選項(xiàng)，所以如果您有很好的部件號(hào)，請(qǐng)?jiān)谖恼轮邪l(fā)表評(píng)論并提出您的建議！

有多種方法可以為電池提供故障轉(zhuǎn)移；然而，我覺(jué)得最優(yōu)雅的解決方案是 Analog Devices LTC4414。當(dāng)使用電池運(yùn)行時(shí)，這通過(guò) P 溝道 MOSFET 熱插拔電池來(lái)提供最低損耗配置。LTC4414 是一款非常通用的 IC，允許進(jìn)行各種負(fù)載共享和冗余電源配置，我期待在未來(lái)的其他項(xiàng)目中使用它。

這不是完美的解決方案。然而，它有一些缺點(diǎn)——當(dāng)運(yùn)行路由器隨附的 AD-DC 轉(zhuǎn)換器時(shí)，原理圖使該輸入通過(guò)一個(gè)二極管運(yùn)行，該二極管提供壓降和熱量損失。我選擇的二極管在任何 SMA 二極管中具有最低的正向壓降，因?yàn)樗碾娏骱碗妷侯~定值是我在我使用的供應(yīng)商處找到的。我的路由器在遠(yuǎn)低于 12V 的情況下繼續(xù)運(yùn)行，所以這個(gè)小電壓降對(duì)我的應(yīng)用來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題。其他可用的拓?fù)溥x項(xiàng)將使用 P 溝道 MOSFET 作為外部電源，這將消除此電壓降。但是，我沒(méi)有使用電池充電器測(cè)試該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此我可以使用我可以測(cè)試的內(nèi)容進(jìn)行安全測(cè)試。

另一個(gè)缺點(diǎn)是外部輸入（主電源）必須比故障轉(zhuǎn)移電源的電位至少高 20mV，才能使用外部電源。如果墻上電源的電壓下降，它實(shí)際上會(huì)開(kāi)始與備用電池進(jìn)行負(fù)載共享以穩(wěn)定電壓。這在其他項(xiàng)目中可能是一個(gè)非常有用的功能，但它可能不會(huì)對(duì)這個(gè)項(xiàng)目有太大用處。我用我的實(shí)驗(yàn)室電源玩過(guò)這個(gè)，一旦冗余電源在外部電源的 20mV 以內(nèi)，我正在測(cè)試的 IC 就開(kāi)始啟用柵極。

VEXT 是外部電源電壓，VREG 是升壓后的電池電壓。

我使用 JST PH 連接器作為輸出，因?yàn)槲铱梢暂p松地將 JST PH（或兼容的 KR）連接到桶形插孔連接器以插入我的路由器。

正如我上面提到的，外部輸入電壓需要至少比冗余電源電壓高 20mV。因此，我不打算構(gòu)建 12V 穩(wěn)壓器。相反，我將構(gòu)建一個(gè) 11.75V 穩(wěn)壓器。您可能會(huì)想，'好吧，這比輸出低 250mV，您肯定可以做得更好嗎？嗯，我也是這么認(rèn)為的，但是在玩了大約 10 分鐘的電阻值之后，我決定 11.75V 就足夠了。我將 ADI 公司的 LT8362 用于升壓控制器，它具有 1.6V 反饋和欠壓鎖定輸入，這有點(diǎn)非標(biāo)準(zhǔn)。在沒(méi)有讓我太接近 11.98V 的電阻容差的情況下，我能得到的最好是 11.75V 或使用 0.1% 或 0.5% 的電阻器和合適的電阻值。所以我正在為冗余電源構(gòu)建一個(gè) 11.75V 穩(wěn)壓器！

此設(shè)計(jì)在 500kHz 開(kāi)關(guān)頻率下的仿真效率為 95%。通過(guò)降低到設(shè)備支持的最低 300kHz，我可以獲得更高的效率；然而，電感器對(duì)于我的目標(biāo)板尺寸來(lái)說(shuō)變得太大了。以較低頻率運(yùn)行只會(huì)提供很小的效率增益，因此對(duì)我來(lái)說(shuō)，稍微小一點(diǎn)的尺寸是值得的。

我的欠壓鎖定起始電壓為 6.4V，因此當(dāng)電池處于相對(duì)較低但仍然安全的放電狀態(tài)時(shí)，穩(wěn)壓器將停止供電。我不希望任一電池低于 2.9V（5.8V 系列），并且 3.2V 被認(rèn)為是為鋰離子電池放電的安全點(diǎn)。我使用的電池沒(méi)有內(nèi)置電池保護(hù)，因此一旦電池電壓達(dá)到最低安全點(diǎn)，調(diào)節(jié)器就會(huì)自行關(guān)閉是相當(dāng)重要的。

當(dāng)存在外部電源時(shí)，我沒(méi)有費(fèi)心去禁用調(diào)節(jié)器，而且調(diào)節(jié)器始終處于開(kāi)啟狀態(tài)并隨時(shí)準(zhǔn)備好進(jìn)行故障轉(zhuǎn)移。在測(cè)試工作臺(tái)的設(shè)計(jì)時(shí)，從一個(gè)電源到另一個(gè)電源的切換是瞬時(shí)的，并且沒(méi)有電壓下降，即使在 200mA 負(fù)載和沒(méi)有輸出電容的情況下也是如此。如果 UPS 的電壓在負(fù)載下開(kāi)始下降，則擁有一個(gè)始終開(kāi)啟的穩(wěn)壓器將確保 UPS 在幾納秒的通知內(nèi)準(zhǔn)備好接管或補(bǔ)充外部電源。每當(dāng)連接外部電源時(shí)，電池都會(huì)進(jìn)行涓流充電，因此我不擔(dān)心在空載時(shí)保持穩(wěn)壓器工作效率低下。

我有一個(gè)特別的地方想安裝這個(gè) UPS，所以我試圖將設(shè)計(jì)保持在 100 毫米 x 50 毫米。我可以很容易地作弊并將電池放在電路板的底部，從而為所有組件的頂部提供大量空間。但是，我不得不承認(rèn)我喜歡一側(cè)的電池和組件的外觀！我喜歡在緊湊的區(qū)域進(jìn)行布局，布局和路線總是一個(gè)有趣的挑戰(zhàn)，而不會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)做出太多犧牲！

在玩了一會(huì)兒之后，我以一種對(duì)我來(lái)說(shuō)最有意義的方式粗略地布置了電路板。最大的挑戰(zhàn)是 11.75V 穩(wěn)壓器的相對(duì)巨大的電感。穩(wěn)壓器的布局由 IC 的引腳排列和盡可能減小電流回路尺寸的需要決定，因此實(shí)際上只有兩種方法可以布置穩(wěn)壓器——按原樣或旋轉(zhuǎn) 180 度。

我對(duì)充電器 IC 靠在電路板頂部邊緣的位置不太滿意。那里沒(méi)有很多銅散熱區(qū)域。我還意識(shí)到應(yīng)該更換電池，因此正極端子最靠近開(kāi)關(guān)模式電源輸入。兩節(jié)電池之間的穩(wěn)壓器改進(jìn)了電池充電器和穩(wěn)壓器的布局。我最初將正極端子朝向 PCB 的頂部邊緣，以優(yōu)化與充電器的距離，我首先將其放置在板上。然而，這增加了到電壓調(diào)節(jié)器的距離，并且沒(méi)有提供從正極端子到調(diào)節(jié)器輸入的大電流路徑。重新安排的董事會(huì)要好得多，我很滿意。

電池座下方的組件是 NTC 熱敏電阻，用于在電池過(guò)熱時(shí)終止充電或在電池太冷時(shí)非常緩慢地為電池充電。正如我在文章前面提到的，它可能不會(huì)是過(guò)于有效的保護(hù)。它只能感應(yīng)一個(gè)電池，即使是那個(gè)工作也不能很好地接觸。在設(shè)計(jì)原理圖時(shí)，我曾爭(zhēng)論是否要包括熱敏電阻，但我認(rèn)為最好有低效的保護(hù)而不是根本沒(méi)有。

我只是在組件周圍添加接地澆注，除了讓您的電路板制造商滿意（減少化學(xué)品使用）之外，沒(méi)有理由在電路板的其余部分澆銅。無(wú)論哪種方式，它都不會(huì)對(duì)這種設(shè)計(jì)產(chǎn)生太大的電氣影響。

設(shè)計(jì)完全布線后，沒(méi)有太多的犧牲可以適應(yīng)所有東西。電路板的長(zhǎng)度剛好足以安裝穩(wěn)壓器，布局合理，有足夠的路徑來(lái)傳導(dǎo)熱量。

布線完成后，我只稍微移動(dòng)了組件和走線。最后一個(gè)重要的變化是添加通孔以幫助將熱量從電路板底部轉(zhuǎn)移到頂部并確保良好的電流路徑。電池充電器在充滿電時(shí)會(huì)變熱，電壓調(diào)節(jié)器也會(huì)變熱。這兩者都比較接近，但我不介意這一點(diǎn)。兩個(gè)設(shè)備不應(yīng)同時(shí)發(fā)熱，因?yàn)殡姵卣趶耐獠侩娫闯潆?，或者電壓調(diào)節(jié)器正在提供電流以運(yùn)行連接的設(shè)備。電壓調(diào)節(jié)器在滿載情況下計(jì)算到52℃左右（溫升27℃），不夠熱，不用擔(dān)心改變布局或提供更好的散熱路徑。

我認(rèn)為電路板看起來(lái)不錯(cuò) - 充電器之間有間隙的電池看起來(lái)比我希望的要好。我很高興稱這個(gè)設(shè)計(jì)完成了。充電器的 LED 燈沿電路板邊緣清晰可見(jiàn)，電源連接器易于使用。

雖然這是作為獨(dú)立的不間斷電源構(gòu)建的，但您可以使用此設(shè)計(jì)中的概念為您自己的設(shè)備提供電池備份功能。如本文開(kāi)頭所述，設(shè)計(jì)文件是開(kāi)源的，可在 GitHub 上獲得。通過(guò)一些輕微的組件更改，此設(shè)計(jì)可以根據(jù)您自己的項(xiàng)目的需要進(jìn)行調(diào)整，以提供更高的輸出電流或不同的輸出電壓。

LTC4414 是一款非常有趣的 IC，是我過(guò)去幾年看過(guò)的最通用的 OR 控制器/理想二極管控制器 IC。我期待在未來(lái)的項(xiàng)目中嘗試使用其他一些配置。數(shù)據(jù)表提供了一個(gè)有趣的閱讀范圍，提供了廣泛的應(yīng)用。