如何為家用設(shè)備構(gòu)建不間斷電源

隨著世界變得更加先進(jìn)，我們對(duì)電力的依賴變得更加嚴(yán)重。若沒有電，最高端的房屋也可能變得相當(dāng)原始。本文描述家用不間斷電源的設(shè)計(jì)，其作用是讓家中最重要的服務(wù)—Wi-Fi—保持暢通。

問題:

停電期間如何使用Wi-Fi和其他家用設(shè)備？

答案:

可以使用汽車電池作為備用電源，設(shè)計(jì)家用不間斷電源(UPS)。該電源連接至降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，生成穩(wěn)定的12 V/5 A電源，用于為Wi-Fi路由器供電；連接至6.5 V/1.5 A降壓轉(zhuǎn)換器，為無繩電話供電。

簡(jiǎn)介

隨著世界變得更加先進(jìn)，我們對(duì)電力的依賴變得更加嚴(yán)重。若沒有電，最高端的房屋也可能變得相當(dāng)原始。本文描述家用不間斷電源的設(shè)計(jì)，其作用是讓家中最重要的服務(wù)—Wi-Fi—保持暢通。

家用不間斷電源(UPS)

圖1中的電路是出于需要而設(shè)計(jì)的。2022年初的能源危機(jī)迫在眉睫，世界和平正在刀尖上跳舞，這個(gè)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(rèn)為是"第一世界"的問題，但如果在電話會(huì)議的中途斷電，這個(gè)等待時(shí)間會(huì)讓人覺得非常漫長(zhǎng)。即使是輕微的壓降也可能引起重大問題。該家用不間斷電源設(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，并為無繩電話提供額外的6.5 V/1.5 A電源。這足以使大多數(shù)筆記本電腦與外界進(jìn)行通信。

圖 1. 不間斷電源 (UPS) 原理圖

圖1顯示的便是該電路。此設(shè)計(jì)的備用電源是從廢品站以20英鎊購(gòu)買的二手汽車電池。 LTC3789 是一個(gè)四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，能以極高效率提供恒定的12 V電源，其輸入電壓可以高于或低于此電壓。其評(píng)估套件在5 V到36 V輸入電壓條件下能提供12 V、5 A的電源輸出，因此可以直接使用，無需修改。Wi-Fi路由器僅需要1 A電流，因此該評(píng)估套件可用于為其他許多需要12 V電壓的應(yīng)用供電。

無繩電話需要6.5 V、約600 mA電源，因此選擇 LT8608 來為此電源軌提供低噪聲、高效率電源，其靜態(tài)電流極低(2.5μA)。LT8608和LTC3789的最大輸入電壓分別為42 V和38 V，因此將它們直接連接到汽車電池以實(shí)現(xiàn)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(huì)產(chǎn)生高電壓，導(dǎo)致電池?zé)o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，那么產(chǎn)生的電壓可能會(huì)損壞電子設(shè)備。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)生高電壓的擔(dān)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(fēng)的室內(nèi)保持電池充電器永久連接的安全方面取決于所用的電池和充電器的類型。

該電路的精巧部分由 LTC4416提供。這是一個(gè)雙通道理想二極管，負(fù)責(zé)切換主電源電壓和備用電源。LTC4416含有一個(gè)精密比較器，當(dāng)比較器檢測(cè)到主電源發(fā)生故障時(shí)，就會(huì)使用四個(gè)外部P溝道MOSFET (PFET)切換到備用電源。

該電路的更簡(jiǎn)單形式是雙通道二極管OR配置，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。然而，該電路僅將兩個(gè)電源中的最高者饋送到位于陰極的輸出端，并會(huì)在二極管上產(chǎn)生0.6 V的損耗。用PFET代替二極管可以設(shè)計(jì)更高效的電路。測(cè)量PFET體二極管兩端的電壓降，如果它超過某個(gè)閾值，則FET導(dǎo)通，從而使體二極管短路。如果此電壓降為負(fù)，則對(duì)PFET的驅(qū)動(dòng)被移除，體二極管會(huì)阻止反向電流。這樣就創(chuàng)建了一個(gè)具有低正向電壓降和反向阻斷功能的理想二極管，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)輸入電壓高出600 mV以上，該體二極管就會(huì)導(dǎo)通。因此，如果備用電源恰好高于主電源，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)問題，但如果輸出電壓比輸入電壓高出600 mV以上，體二極管就會(huì)導(dǎo)通，發(fā)生電流倒流。

更簡(jiǎn)潔的解決方案是為每條路徑添加一個(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斷開時(shí)，該電路提供雙向開路，并隔離每個(gè)通道，而不管輸入或輸出電壓如何。

圖 3. 具有雙向斷開功能的二極管 OR 電路

對(duì)于12 V電路，LTC4416 (DC1059A)的評(píng)估套件做了修改，以提供11.17 V的切換電壓，其中R3使用100 kΩ電阻，R1使用10 kΩ + 2.2 kΩ電阻。這很有效，但我們發(fā)現(xiàn)，Wi-Fi接入點(diǎn)需要精確的12 V電源，有時(shí)候當(dāng)12 V主電源再次切換回來時(shí)，它會(huì)重新啟動(dòng)。這是由于電壓階躍（從11.17 V到12 V）擾亂了路由器電子器件。將R1改為11.47 kΩ可將切換電壓提高到11.8 V，從而減小了電壓階躍的大小。

無繩電話電路對(duì)電源階躍的感受更強(qiáng)烈，因此R15由22 kΩ + 10 kΩ電阻組成，以提供5 V的切換電壓。

波形如圖4所示。綠色跡線顯示的是LTC4416始終開啟的12 V輸出，紅色跡線顯示的插墻式電源適配器的12 V輸出（主電源），藍(lán)色跡線顯示的是汽車電池電壓。當(dāng)示波器直流耦合時(shí)，看不到對(duì)綠色跡線的干擾。更改為交流耦合后，當(dāng)連接(600 ms)和斷開(5.8 s)主電源12V時(shí)，可以看到很小的干擾。具有諷刺意味的是，當(dāng)連接12 V主電源時(shí)，該電源軌上的噪聲明顯更高，這表明插墻式電源適配器輸出的噪聲高于LTC3789。

圖 4. 當(dāng)主電源（紅色跡線）斷開時(shí)，12 V（綠色跡線）幾乎不受干擾

圖5所示為UPS電子設(shè)備的照片，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

未來改進(jìn)

前面提到的電路需要切斷來自插墻式電源適配器的電纜，以允許串聯(lián)插入U(xiǎn)PS。一個(gè)更簡(jiǎn)潔的解決方案是從汽車電池產(chǎn)生340 V DC，并將其饋入擴(kuò)展插座，然后將插墻式電源適配器插入擴(kuò)展插座。由于所有插墻式電源適配器的內(nèi)部電路都包含整流器，因此該電壓是交流還是直流沒有關(guān)系。然而，從12 V電池產(chǎn)生340 V電壓會(huì)帶來?yè)p耗，在插墻式電源適配器內(nèi)降低該電壓也會(huì)產(chǎn)生損耗，這意味著低壓電路將更加高效和簡(jiǎn)單，哪怕需要切斷插墻式電源適配器電纜。

LTC4416評(píng)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(gè)有用的附加功能是一個(gè)按鈕開關(guān)，用于人為將LTC4416的使能引腳拉低以測(cè)試切換功能。

該電路經(jīng)過廣泛測(cè)試，性能優(yōu)異。對(duì)于更高的電流，可以使用N溝道理想二極管。LTC4416是ADI公司提供的各種理想二極管和熱插拔器件的一種。

結(jié)論

本文描述的電路展示了一種簡(jiǎn)單家用不間斷電源的設(shè)計(jì)，它可以在斷電時(shí)讓各種家用電器保持運(yùn)行。此電路當(dāng)然可以進(jìn)行修改，使用更強(qiáng)大的MOSFET和更大的電池來提供更高的輸出功率和更長(zhǎng)的后援時(shí)間。