如何為家用設備構建不間斷電源

隨著世界變得越來越先進，我們對電力的依賴變得更加嚴重。停電可以將最復雜的家庭減少到相當原始的家庭，本文描述了為家庭設計的不間斷電源，以保持家庭最重要的服務：Wi-Fi。

那么，在停電期間，如何使用Wi-Fi和其他家用設備呢？通過使用汽車電池作為備用電源來設計家用不間斷電源 （UPS）。它連接到降壓-升壓轉換器，該轉換器產生穩(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降壓轉換器，為無繩電話供電。

適用于家庭的不間斷電源 （UPS）

圖1中的電路是出于必要性而設計的。隨著2022年初能源危機的威脅迫在眉睫，世界和平處于刀刃邊緣，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，但普通的Wi-Fi路由器需要2分鐘以上的時間才能重新啟動，如果在電話會議中電源消失，這似乎是永恒的。即使是輕微的下降也會導致重大問題。這種家用不間斷電源設計為 Wi-Fi 接入點（和任何其他電子設備）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。這足以使大多數筆記本電腦與外界保持通信。

圖1所示電路。這種設計的備用電源是從廢料場以20英鎊的價格購買的預先喜愛的汽車電池。LTC?3789 是一款四開關降壓-升壓型轉換器，可采用高于或低于此電壓的輸入，以極高的效率提供恒定的 12 V 電源。其評估套件在5 V至36 V輸入電壓范圍內提供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，因此該評估套件可用于為許多其他需要12 V的應用供電。

無繩電話在約600 mA時需要6.5 V電壓，因此選擇LT8608為該電源軌提供低噪聲、高效率和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獲得最高的電路效率。一些低成本的電池充電器如果不能正確連接到電池，就會產生高電壓，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，則可能會產生可能損壞電子設備的電壓。LTC3789 和 LT8608 的寬輸入電壓范圍減輕了對連接電池充電器時產生高電壓的擔憂。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行。但是，在不通風的房間中保持電池充電器永久連接的安全方面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。這是一個雙理想二極管，負責在主電源電壓和備用電源之間切換。LTC4416 包含一個精準的比較器，用于檢測主電源何時發(fā)生故障，并利用 4 個外部 P 溝道 MOSFET （PFET） 切換至其后備電源。

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。然而，該電路僅將兩個電源中最高的電源饋送到陰極的輸出端，并在二極管上產生0.6 V的損耗?？梢允褂肞FET來代替二極管來設計更有效的電路。測量PFET體二極管兩端的壓降，如果超過一定閾值，則FET導通，從而短路體二極管。如果該壓降為負，則移除PFET的驅動器，并且體二極管阻斷反向電流;因此，已經產生了一個理想的二極管，它具有低正向壓降并在相反方向上阻塞。如圖 2 所示。

使用本電路時，每個PFET的體二極管從輸入點到輸出，因此如果一個輸入電壓比另一個高600 mV以上，則該體二極管將導通。因此，如果備用電源恰好高于主電源，則負載的功率將由備用電源提供，這是不希望的。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600 mV以上，則體二極管會導通。

更簡潔的解決方案是向每個路徑添加一個額外的 PFET，如圖 3 所示。在本電路中，兩個體二極管彼此相對，因此當FET關閉時，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。

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）的評估套件進行了修改，以提供11.17 V的開關電壓，對R3使用100 kΩ電阻，對R1使用10 kΩ + 2.2 kΩ電阻。這效果很好，但發(fā)現Wi-Fi接入點需要精確的12 V電源，有時當主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備。將R1更改為11.47 kΩ時，開關電壓增加到11.8 V，從而減小了步長。

無繩電話電路更同情電源步驟，因此R15由22 kΩ + 10 kΩ電阻組成，開關電壓為5 V。

波形如圖4所示。綠色走線顯示LTC4416的始終開啟12 V輸出，紅色跡線顯示墻上立方體的12 V輸出，藍色走線顯示汽車電池電壓。當示波器是直流耦合時，看不到對綠色跡線的干擾。當連接電源 12 V（600 ms 時）和斷開（5.8 s 時）時，更改為交流耦合時幾乎沒有干擾。具有諷刺意味的是，當連接電源12 V時，該電源軌上的噪聲明顯更高，這表明來自墻壁立方體輸出的噪聲高于LTC3789的噪聲。

圖 4.當電源（紅色跡線）斷開時，12 V（綠色跡線）幾乎不會受到干擾。

UPS電子設備的照片如圖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盒的側面。

圖 6.帶電池的完整電路。

未來修改

前面提到的電路要求切割墻壁立方體的電纜，以允許串聯插入UPS。一個更整潔的解決方案是從汽車電池中產生340 V DC并將其饋送到擴展插座中，然后將墻壁立方體插入擴展插座。由于所有壁立方體內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電池產生340 V電壓所產生的損失以及降低壁立方體內部電壓所產生的損失意味著低壓電路將更加高效和簡單，即使它確實意味著切割壁立方體電纜。

LTC4416 評估套件包括 LED，用于指示是使用主電源還是備用電源，并且這些 LED 可以很容易地帶到外殼外部。另一個有用的補充是一個按鈕開關，用于人為地將 LTC4416 的使能引腳拉至低電平，以測試切換功能。

該電路經過了廣泛的測試，發(fā)現具有出色的性能。對于更高的電流，可以使用N溝道理想二極管。LTC?4416 是 ADI 公司提供的多種理想二極管和熱插拔器件的一部分。

結論

本文中描述的電路說明了一個簡單的家用不間斷電源的設計，該電源可以構建為在發(fā)生電源故障時保持各種家用電器的運行狀態(tài)。沒有理由不能對該電路進行修改，以使用更強大的MOSFET和更大的電池來增加輸出功率和更長的備用壽命。

審核編輯：郭婷