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)，我們對電力的依賴變得更加嚴(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，以保持家庭最基本的服務(wù)：Wi-Fi。

那么，如何在停電期間使用 Wi-Fi 和其他家用設(shè)備呢？通過使用汽車電池作為備用電源來設(shè)計家用不間斷電源 （UPS）。它連接到降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生穩(wěn)定的 12 V/5 A 電源為 Wi-Fi 路由器供電，以及 6.5 V/1.5 A 降壓轉(zhuǎn)換器為無繩電話供電。

家用不間斷電源 （UPS）

圖1中的電路是出于必要而設(shè)計的。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題，但平均Wi-Fi路由器重新啟動需要2分鐘以上，如果電源在電話會議中消失，這似乎是永恒的。即使是輕微的下降也會導(dǎo)致重大問題。這種家用不間斷電源設(shè)計為 Wi-Fi 接入點（和任何其他電子設(shè)備）提供 12 V/5 A 電源，為無繩電話提供額外的 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所示為電路。這種設(shè)計的備用電源是從廢品場以20英鎊的價格購買的二手汽車電池。LTC?3789是一款四開關(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。其評估套件在5 V至36 V輸入電壓下提供12 V/5 A，因此無需修改即可使用。由于Wi-Fi路由器只需要1 A電流，因此該評估套件可用于為許多其他需要12 V的應(yīng)用供電。

無繩電話需要6.5 V（約600 mA），因此選擇LT8608來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電池以實現(xiàn)最高的電路效率。一些低成本的電池充電器如果沒有正確連接到電池，會產(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產(chǎn)生的高電壓的擔(dān)憂。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型。

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

圖1.不間斷電源 （UPS） 原理圖。

該電路的一種更簡單形式是雙二極管OR配置，其中兩個二極管的陰極連接在一起，主電源和備用電源連接到陽極。但是，該電路僅將兩個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。可以使用PFET設(shè)計更高效的電路來代替二極管。測量PFET體二極管兩端的壓降，如果超過某個閾值，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)動器，體二極管阻斷反向電流;因此，已經(jīng)創(chuàng)建了一個理想的二極管，該二極管具有低正向壓降和反向阻塞。如圖 2 所示。

在該電路中，每個PFET的體二極管從輸入指向輸出，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可以解決這個問題，但如果輸出電壓高于輸入電壓超過600 mV，則體二極管會導(dǎo)通。

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

圖2.二極管OR電路的理想二極管實現(xiàn)。

圖3.具有雙向斷開功能的二極管OR電路。

對于12 V電路，對LTC4416 （DC1059A）的評估套件進(jìn)行了修改，以提供11.17 V的過電壓開關(guān)，R3使用100 kΩ電阻，R1使用10 kΩ + 2.2 kΩ電阻。這運(yùn)行良好，但發(fā)現(xiàn) Wi-Fi 接入點需要精確的 12 V 電源，有時當(dāng)主 12 V 再次打開時它會重新啟動。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，將開關(guān)過壓增加到11.8 V，從而減小步長。

無繩電話電路更符合電源階躍，因此R15由一個22 kΩ + 10 kΩ電阻組成，提供5 V的過壓開關(guān)。

波形如圖4所示。綠色跡線表示LTC4416始終導(dǎo)通的12 V輸出，紅色跡線顯示壁立方體的12 V輸出，藍(lán)色跡線顯示汽車電池電壓。當(dāng)示波器直流耦合時，看不到對綠色跡線的干擾。當(dāng)電源 12 V 連接（600 ms 時）和斷開（5.8 秒時）時，更改為交流耦合時幾乎沒有干擾。具有諷刺意味的是，當(dāng)連接電源12 V時，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.斷開電源（紅色走線）時，12 V（綠色走線）幾乎不會受到干擾。

未來修改

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。一個更簡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整流器，因此該電壓是交流還是直流并不重要。然而，從12 V電池產(chǎn)生340 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單，即使它確實意味著切斷墻立方體電纜。

LTC4416 評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。另一個有用的附加功能是按鈕開關(guān)，用于人為地將 LTC4416 的使能引腳拉低以測試切換功能。

該電路經(jīng)過廣泛測試，發(fā)現(xiàn)具有出色的性能。對于更高的電流，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

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

審核編輯：郭婷