為家用裝置建構不斷電系統

作者 : Simon Bramble,ADI 工程師

停電期間如何使用Wi-Fi和其他家用裝置?可以使用汽車電池作為備用電源,設計家用不斷電系統(UPS)。該電源連接至降壓-升壓轉換器,產生穩定的12V/5A電源,用於為Wi-Fi路由器供電;連接至6.5V/1.5A降壓轉換器,則可為無線電話供電。

問題:停電期間如何使用Wi-Fi和其他家用裝置?

答案:可以使用汽車電池作為備用電源,設計家用不斷電系統(UPS)。該電源連接至降壓-升壓轉換器,產生穩定的12V/5A電源,用於為Wi-Fi路由器供電;連接至6.5V/1.5A降壓轉換器,則可為無線電話供電。

隨著全球科技發展日趨先進,我們對電力的依賴變得更加嚴重。若沒有電,最高級的房屋也可能變得相當原始。本文描述家用不斷電系統的設計,其作用是讓家中最重要的服務—Wi-Fi—保持暢通。

家用不斷電系統(UPS)

1中的電路是出於需要而設計的。2022年初的能源危機迫在眉睫,世界和平正在刀尖上跳舞,此電路就是為了在斷電的情況下保持家中Wi-Fi暢通。Wi-Fi路由器重啟平均需要2分多鐘,這可能被認為是「第一世界」的問題,但如果在電話會議的中途斷電,這個等待時間會讓人覺得非常漫長。即使是輕微的壓降也可能引起重大問題。該家用不斷電系統設計為Wi-Fi接取點(和任何其他電子裝置)提供12V/5A電源,並為無線電話提供額外的6.5V/1.5A電源。這足以使大多數筆記型電腦與外界進行通訊

Figure 1. The uninterruptible power supply (UPS) schematic.

1:不斷電供應系統(UPS)原理圖。

1顯示的便是該電路。此設計的備用電源是從廢品站以20英鎊購買的二手汽車電池。 LTC3789 是一個四開關降壓-升壓轉換器,能以極高效率提供恆定的12V電源,其輸入電壓可以高於或低於此電壓。其評估套件在5V到36V輸入電壓條件下能提供12V、5A的電源輸出,因此可以直接使用而無需修改。Wi-Fi路由器僅需要1A電流,因此該評估套件可用於為其他許多需要12V電壓的應用供電。

無線電話需要6.5V、約600mA電源,因此選擇 LT8608 來為此電源軌提供低雜訊、高效率電源,其靜態電流極低(2.5μA)。LT8608和LTC3789的最大輸入電壓分別為42V和38V,因此將其直接連接到汽車電池以實現最高電路效率。某些較低成本的電池充電器如果未正確連接到電池,可能會產生高電壓,導致電池無法充分吸收充電電流。

因此,如果充電器與電路連接良好,但與電池連接不良,那麼產生的電壓可能會損壞電子設備。LTC3789和LT8608的寬輸入電壓範圍減輕了連接電池充電器時產生高電壓的擔憂。電路既可以在永久連接電池充電器的情況下工作,也可以在沒有連接的情況下工作。但是,在不通風的室內保持電池充電器永久連接的安全方面取決於所用的電池和充電器的類型。

該電路的精巧部份由 LTC4416提供。此為一個雙通道理想二極體,負責切換主電源電壓和備用電源。LTC4416含有一個精密比較器,當比較器檢測到主電源發生故障時,就會使用四個外部P通道MOSFET (PFET)切換到備用電源。

該電路的更簡單形式是雙通道二極體OR配置,兩個二極體的陰極連接在一起,主電源和備用電源連接到陽極。然而,該電路僅將兩個電源中的最高者饋送到位於陰極的輸出端,並會在二極體上產生0.6V的損耗。

用PFET代替二極體可以設計更高效的電路。測量PFET體二極體兩端的電壓降,如果其超過某個閾值,則FET導通,從而使體二極體短路。如果此電壓降為負,則對PFET的驅動被移除,體二極體會阻止反向電流。如此便創建了一個具有低正向電壓降和反向阻斷功能的理想二極體,如2所示

Figure 2. An ideal diode implementation of the diode OR circuit.

2:二極體 OR 電路的理想二極體實現。

在該電路中,每個PFET的體二極體從輸入指向輸出,因此如果一個輸入電壓比另一個輸入電壓高出600mV以上,該體二極體就會導通。因此,如果備用電源恰好高於主電源,負載的電源將由備用電源提供,這是不可取的。反轉PFET可以解決這個問題,但如果輸出電壓比輸入電壓高出600mV以上,體二極體就會導通,發生電流倒流。

更簡潔的解決方案是為每條路徑增加一個額外的PFET,如3所示。在該電路中,兩個體二極體彼此相對,因此當FET斷開時,該電路提供雙向開路,並隔離每個通道,而不管輸入或輸出電壓如何。

Figure 3. A diode OR circuit with bidirectional disconnect.

3:具有雙向斷開功能的二極體 OR 電路。

對於12V電路,LTC4416 (DC1059A)的評估套件做了修改,以提供11.17V的切換電壓,其中R3使用100kΩ電阻,R1使用10kΩ + 2.2kΩ電阻。這很有效,但我們發現,Wi-Fi接取點需要精準的12V電源,有時當12V主電源再次切換回來時,其會重新啟動。這是由於電壓階躍(從11.17V到12V)擾亂了路由器電子元件。將R1改為11.47kΩ可將切換電壓提升到11.8V,從而減小了電壓階躍的大小。

無線電話電路對電源階躍的感受更強烈,因此R15由22kΩ + 10kΩ電阻組成,以提供5V的切換電壓。

波形如4所示。綠色跡線顯示的是LTC4416始終開啟的12V輸出,紅色跡線顯示的插牆式電源適配器的12V輸出(主電源),藍色跡線顯示的是汽車電池電壓。當示波器直流(DC)耦合時,看不到對綠色跡線的干擾。更改為交流(AC)耦合後,當連接(600ms)和斷開(5.8s)主電源12V時,可以看到很小的干擾。諷刺的是,當連接12V主電源時,該電源軌上的雜訊明顯更高,表示插牆式電源適配器輸出的雜訊高於LTC3789。

Figure 4. 12 V (green trace) is hardly disturbed when the mains (red trace) is disconnected.

4:當主電源(紅色跡線)斷開時,12V (綠色跡線)幾乎不受干擾。

5所示為UPS電子設備的照片,完整電路如6所示。

Figure 5. The power supplies and ideal diodes mounted to the side of the UPS box.

5:源和理想二極體安裝在 UPS 箱的側面。

Figure 6. The complete circuit with a battery.

6:具有電池的完整電路。

未來的改良

前面提到的電路需要切斷來自插牆式電源適配器的電纜,以允許串聯插入UPS。一個更簡潔的解決方案是從汽車電池產生340V DC,並將其送入擴展插座,然後將插牆式電源配接器插入擴展插座。由於所有插牆式電源配接器的內部電路都包含整流器,因此該電壓是交流還是直流沒有關係。然而,從12V電池產生340V電壓會帶來損耗,在插牆式電源適配器內降低該電壓也會產生損耗,表示低壓電路將更加高效和簡單,哪怕需要切斷插牆式電源適配器電纜。

LTC4416評估套件含有LED,可指示正在使用主電源還是備用電源,而且很容易將這些LED放到外殼上。另一個有用的附加功能是一個按鈕開關,用於人為將LTC4416的致能接腳拉低以測試切換功能。

該電路經過廣泛測試,性能優異。對於更高的電流,可以使用N通道理想二極體。LTC4416是ADI提供的各種理想二極體和熱插拔元件的一種。

結論

本文描述的電路展示了一種簡單家用不斷電供應系統的設計,其可以在斷電時讓各種家用電器保持運行。此電路當然可以進行修改,使用更強大的MOSFET和更大的電池來提供更高的輸出功率和更長的後援時間。

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