如何為家用設(shè)備構(gòu)建不間斷電源

Simon Bramble

隨著世界變得更加先進(jìn)，我們對(duì)電力的依賴(lài)變得更加嚴(yán)重。停電可以將最復(fù)雜的家庭減少到相當(dāng)原始的家庭，本文描述了家庭不間斷電源的設(shè)計(jì)，以保持家庭最基本的服務(wù)：Wi-Fi。

家用不間斷電源 （UPS）

圖1中的電路是出于必要而設(shè)計(jì)的。隨著 2022 年初能源危機(jī)的威脅迫在眉睫，世界和平觸手可及，它旨在在停電的情況下保持家庭 Wi-Fi 的活力。雖然這可能被視為第一世界的問(wèn)題，但平均Wi-Fi路由器重新啟動(dòng)需要2分鐘以上，如果電源在電話(huà)會(huì)議中消失，這似乎是永恒的。即使是輕微的下降也會(huì)導(dǎo)致重大問(wèn)題。這種家用不間斷電源設(shè)計(jì)為 Wi-Fi 接入點(diǎn)（和任何其他電子設(shè)備）提供 12 V/5 A 電源，為無(wú)繩電話(huà)提供額外的 6.5 V/1.5 A 電源。這足以讓大多數(shù)筆記本電腦與外界保持通信。

圖1.不間斷電源 （UPS） 原理圖。

圖1所示為電路。這種設(shè)計(jì)的備用電源是從廢品場(chǎng)以20英鎊的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)的二手汽車(chē)電池。LTC?3789是一款四開(kāi)關(guān)降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，可從可能高于或低于該電壓的輸入提供恒定的12 V電源，具有極高的效率。其評(píng)估套件在12 V至5 V輸入電壓下提供5 V/36 A，因此無(wú)需修改即可使用。由于Wi-Fi路由器只需要1 A電流，因此該評(píng)估套件可用于為許多其他需要12 V的應(yīng)用供電。

無(wú)繩電話(huà)需要6.5 V（約600 mA），因此選擇LT8608來(lái)提供低噪聲和高效率以及2.5 μA的極低靜態(tài)電流。LT8608和LTC3789的最大輸入電壓分別為42 V和38 V，因此它們直接連接到汽車(chē)電池以實(shí)現(xiàn)最高的電路效率。一些低成本的電池充電器如果沒(méi)有正確連接到電池，會(huì)產(chǎn)生高電壓，因此電池不能充分吸收充電電流。因此，如果充電器與電路的連接良好，但與電池的連接不良，則會(huì)產(chǎn)生可能損壞電子設(shè)備的電壓。LTC3789 和 LT8608 的寬輸入電壓范圍減輕了連接電池充電器時(shí)產(chǎn)生的高電壓的擔(dān)憂(yōu)。該電路可以在電池充電器永久連接或不永久連接的情況下運(yùn)行。但是，在不通風(fēng)的房間中保持電池充電器永久連接的安全性取決于所用電池和充電器的類(lèi)型。

電路的巧妙部分由LTC4416提供。這是一個(gè)雙通道理想二極管，負(fù)責(zé)在主電源電壓和備用電源之間切換。LTC4416 包含一個(gè)精準(zhǔn)比較器，該比較器可檢測(cè)主電源何時(shí)發(fā)生故障，并利用四個(gè)外部 P 溝道 MOSFET （PFET） 切換到其后備電源。

該電路的一種更簡(jiǎn)單形式是雙二極管OR配置，其中兩個(gè)二極管的陰極連接在一起，主電源和備用電源連接到陽(yáng)極。但是，該電路僅將兩個(gè)電源中的最高電源饋送到陰極輸出端，并在二極管兩端產(chǎn)生0.6 V的損耗?？梢允褂肞FET設(shè)計(jì)更高效的電路來(lái)代替二極管。測(cè)量PFET體二極管兩端的壓降，如果超過(guò)某個(gè)閾值，F(xiàn)ET接通，從而使體二極管短路。如果該壓降變?yōu)樨?fù)值，則取除PFET的驅(qū)動(dòng)器，體二極管阻斷反向電流;因此，已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)理想的二極管，該二極管具有低正向壓降和反向阻塞。如圖 2 所示。

圖2.二極管OR電路的理想二極管實(shí)現(xiàn)。

在該電路中，每個(gè)PFET的體二極管從輸入指向輸出，因此如果一個(gè)輸入電壓比另一個(gè)輸入電壓高600 mV以上，則該體二極管將導(dǎo)通。因此，如果備用電源恰好高于主電源，則負(fù)載的電源將由備用電源提供，這是不可取的。反轉(zhuǎn)PFET可以解決這個(gè)問(wèn)題，但如果輸出電壓高于輸入電壓超過(guò)600 mV，則體二極管會(huì)導(dǎo)通。

更清潔的解決方案是向每條路徑添加一個(gè)額外的PFET，如圖3所示。在該電路中，兩個(gè)體二極管彼此相對(duì)，因此當(dāng)FET關(guān)閉時(shí)，該電路提供雙向開(kāi)路，并隔離每個(gè)通道，而不管輸入或輸出電壓如何。

圖3.具有雙向斷開(kāi)功能的二極管OR電路。

對(duì)于12 V電路，對(duì)LTC4416 （DC1059A）的評(píng)估套件進(jìn)行了修改，以提供11.17 V的過(guò)電壓開(kāi)關(guān)，R100使用3 kΩ電阻，R10使用2 kΩ + 2.1 kΩ電阻。這運(yùn)行良好，但發(fā)現(xiàn) Wi-Fi 接入點(diǎn)需要精確的 12 V 電源，有時(shí)當(dāng)主 12 V 再次打開(kāi)時(shí)它會(huì)重新啟動(dòng)。這是由于電壓階躍（從11.17 V到12 V）擾亂了路由器電子設(shè)備。將R1更改為11.47 kΩ，將開(kāi)關(guān)過(guò)壓增加到11.8 V，從而減小步長(zhǎng)。

無(wú)繩電話(huà)電路更符合電源階躍，因此R15由一個(gè)22 kΩ + 10 kΩ電阻組成，提供5 V的過(guò)壓開(kāi)關(guān)。

波形如圖4所示。綠色跡線(xiàn)表示LTC12始終導(dǎo)通的4416 V輸出，紅色跡線(xiàn)顯示壁立方體的12 V輸出，藍(lán)色跡線(xiàn)顯示汽車(chē)電池電壓。當(dāng)示波器直流耦合時(shí)，看不到對(duì)綠色跡線(xiàn)的干擾。當(dāng)電源 12 V 連接（600 ms 時(shí)）和斷開(kāi)（5.8 秒時(shí)）時(shí)，更改為交流耦合時(shí)幾乎沒(méi)有干擾。具有諷刺意味的是，當(dāng)連接電源12 V時(shí)，該電源軌上的噪聲明顯更高，表明墻上立方體輸出的噪聲高于LTC3789的噪聲。

圖4.斷開(kāi)電源（紅色走線(xiàn)）時(shí)，12 V（綠色走線(xiàn)）幾乎不會(huì)受到干擾。

UPS電子器件的照片如圖5所示，完整電路如圖6所示。

圖5.電源和理想二極管安裝在UPS箱的側(cè)面。

圖6.帶電池的完整電路。

未來(lái)修改

前面提到的電路需要切斷墻立方體的電纜，以允許UPS串聯(lián)插入。一個(gè)更簡(jiǎn)潔的解決方案是從汽車(chē)電池產(chǎn)生 340 V DC，并將其饋入擴(kuò)展插座，然后將墻壁立方體插入擴(kuò)展插座。由于所有壁立方體內(nèi)部的電路都包含一個(gè)整流器，因此該電壓是交流還是直流并不重要。然而，從340 V電池產(chǎn)生12 V的損耗以及降低墻立方體內(nèi)部電壓所產(chǎn)生的損耗意味著低壓電路將更加高效和簡(jiǎn)單，即使它確實(shí)意味著切斷墻立方體電纜。

LTC4416 評(píng)估套件包括用于指示是使用主電源還是備用電源的 LED，這些 LED 可輕松帶到外殼外部。另一個(gè)有用的附加功能是按鈕開(kāi)關(guān)，用于人為地將 LTC4416 的使能引腳拉低以測(cè)試切換功能。

該電路經(jīng)過(guò)廣泛測(cè)試，發(fā)現(xiàn)具有出色的性能。對(duì)于更高的電流，可以使用N溝道理想二極管。LTC4416是ADI公司提供的一系列理想二極管和熱插拔器件的一部分。

結(jié)論

本文描述的電路說(shuō)明了一個(gè)簡(jiǎn)單的家用不間斷電源的設(shè)計(jì)，該電源可以在發(fā)生電源故障時(shí)保持各種家用電器的存活。沒(méi)有理由不能修改該電路以使用更強(qiáng)大的MOSFET和更大的電池來(lái)提供更高的輸出功率和更長(zhǎng)的備份壽命。

審核編輯：郭婷