如何为家用设备构建不间断电源

Simon Bramble

随着世界变得更加先进，我们对电力的依赖变得更加严重。停电可以将最复杂的家庭减少到相当原始的家庭，本文描述了家庭不间断电源的设计，以保持家庭最基本的服务：Wi-Fi。

家用不间断电源 （UPS）

图1中的电路是出于必要而设计的。随着 2022 年初能源危机的威胁迫在眉睫，世界和平触手可及，它旨在在停电的情况下保持家庭 Wi-Fi 的活力。虽然这可能被视为第一世界的问题，但平均Wi-Fi路由器重新启动需要2分钟以上，如果电源在电话会议中消失，这似乎是永恒的。即使是轻微的下降也会导致重大问题。这种家用不间断电源设计为 Wi-Fi 接入点（和任何其他电子设备）提供 12 V/5 A 电源，为无绳电话提供额外的 6.5 V/1.5 A 电源。这足以让大多数笔记本电脑与外界保持通信。

图1.不间断电源 （UPS） 原理图。

图1所示为电路。这种设计的备用电源是从废品场以20英镑的价格购买的二手汽车电池。LTC®3789是一款四开关降压-升压型转换器，可从可能高于或低于该电压的输入提供恒定的12 V电源，具有极高的效率。其评估套件在12 V至5 V输入电压下提供5 V/36 A，因此无需修改即可使用。由于Wi-Fi路由器只需要1 A电流，因此该评估套件可用于为许多其他需要12 V的应用供电。

无绳电话需要6.5 V（约600 mA），因此选择LT8608来提供低噪声和高效率以及2.5 μA的极低静态电流。LT8608和LTC3789的最大输入电压分别为42 V和38 V，因此它们直接连接到汽车电池以实现最高的电路效率。一些低成本的电池充电器如果没有正确连接到电池，会产生高电压，因此电池不能充分吸收充电电流。因此，如果充电器与电路的连接良好，但与电池的连接不良，则会产生可能损坏电子设备的电压。LTC3789 和 LT8608 的宽输入电压范围减轻了连接电池充电器时产生的高电压的担忧。该电路可以在电池充电器永久连接或不永久连接的情况下运行。但是，在不通风的房间中保持电池充电器永久连接的安全性取决于所用电池和充电器的类型。

电路的巧妙部分由LTC4416提供。这是一个双通道理想二极管，负责在主电源电压和备用电源之间切换。LTC4416 包含一个精准比较器，该比较器可检测主电源何时发生故障，并利用四个外部 P 沟道 MOSFET （PFET） 切换到其后备电源。

该电路的一种更简单形式是双二极管OR配置，其中两个二极管的阴极连接在一起，主电源和备用电源连接到阳极。但是，该电路仅将两个电源中的最高电源馈送到阴极输出端，并在二极管两端产生0.6 V的损耗。可以使用PFET设计更高效的电路来代替二极管。测量PFET体二极管两端的压降，如果超过某个阈值，FET接通，从而使体二极管短路。如果该压降变为负值，则取除PFET的驱动器，体二极管阻断反向电流;因此，已经创建了一个理想的二极管，该二极管具有低正向压降和反向阻塞。如图 2 所示。

图2.二极管OR电路的理想二极管实现。

在该电路中，每个PFET的体二极管从输入指向输出，因此如果一个输入电压比另一个输入电压高600 mV以上，则该体二极管将导通。因此，如果备用电源恰好高于主电源，则负载的电源将由备用电源提供，这是不可取的。反转PFET可以解决这个问题，但如果输出电压高于输入电压超过600 mV，则体二极管会导通。

更清洁的解决方案是向每条路径添加一个额外的PFET，如图3所示。在该电路中，两个体二极管彼此相对，因此当FET关闭时，该电路提供双向开路，并隔离每个通道，而不管输入或输出电压如何。

图3.具有双向断开功能的二极管OR电路。

对于12 V电路，对LTC4416 （DC1059A）的评估套件进行了修改，以提供11.17 V的过电压开关，R100使用3 kΩ电阻，R10使用2 kΩ + 2.1 kΩ电阻。这运行良好，但发现 Wi-Fi 接入点需要精确的 12 V 电源，有时当主 12 V 再次打开时它会重新启动。这是由于电压阶跃（从11.17 V到12 V）扰乱了路由器电子设备。将R1更改为11.47 kΩ，将开关过压增加到11.8 V，从而减小步长。

无绳电话电路更符合电源阶跃，因此R15由一个22 kΩ + 10 kΩ电阻组成，提供5 V的过压开关。

波形如图4所示。绿色迹线表示LTC12始终导通的4416 V输出，红色迹线显示壁立方体的12 V输出，蓝色迹线显示汽车电池电压。当示波器直流耦合时，看不到对绿色迹线的干扰。当电源 12 V 连接（600 ms 时）和断开（5.8 秒时）时，更改为交流耦合时几乎没有干扰。具有讽刺意味的是，当连接电源12 V时，该电源轨上的噪声明显更高，表明墙上立方体输出的噪声高于LTC3789的噪声。

图4.断开电源（红色走线）时，12 V（绿色走线）几乎不会受到干扰。

UPS电子器件的照片如图5所示，完整电路如图6所示。

图5.电源和理想二极管安装在UPS箱的侧面。

图6.带电池的完整电路。

未来修改

前面提到的电路需要切断墙立方体的电缆，以允许UPS串联插入。一个更简洁的解决方案是从汽车电池产生 340 V DC，并将其馈入扩展插座，然后将墙壁立方体插入扩展插座。由于所有壁立方体内部的电路都包含一个整流器，因此该电压是交流还是直流并不重要。然而，从340 V电池产生12 V的损耗以及降低墙立方体内部电压所产生的损耗意味着低压电路将更加高效和简单，即使它确实意味着切断墙立方体电缆。

LTC4416 评估套件包括用于指示是使用主电源还是备用电源的 LED，这些 LED 可轻松带到外壳外部。另一个有用的附加功能是按钮开关，用于人为地将 LTC4416 的使能引脚拉低以测试切换功能。

该电路经过广泛测试，发现具有出色的性能。对于更高的电流，可以使用N沟道理想二极管。LTC4416是ADI公司提供的一系列理想二极管和热插拔器件的一部分。

结论

本文描述的电路说明了一个简单的家用不间断电源的设计，该电源可以在发生电源故障时保持各种家用电器的存活。没有理由不能修改该电路以使用更强大的MOSFET和更大的电池来提供更高的输出功率和更长的备份寿命。

审核编辑：郭婷