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基于树莓派的超高效UPS(不间断电源)

2021/10/09
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项目构想

创建这种不间断电源 (UPS) 的原因是因为我对市场上可用的东西不满意,这些东西只会降低输入电压电池充电并立即提升它为 pi 供电。通过这种方式,可以实现约 80% 的效率。不要误会我的意思,这并不可怕,但我想做得更好,这就是该设计包含电源 MUX 的原因。

对于那些不知道电源 MUX 的人来说,它就像一个普通的 MUX,但它不是信号线,而是切换电源。我的原理图如下所示:

这里 R7 和 D1 产生一个大约 2.4V 的参考电压,用于在切换到 DC-DC 转换器之前设置所需的最小电压,该转换器不断地从电池产生 5.1V。USB 输入电压 (+5V) 使用由 R2 和 R3 形成的分压器除以 2 并馈入运算放大器的同相输入,因此当电压高于 2 * 2.4 = 4.8V 时,直接发送 USB 输入到圆周率。每当电压低于 4.8V 时,它就会切换到不间断电源。

其示意图如下:

它是一个 TPS61088,带有标准参考原理图和大量输出和输入电容,以确保正确处理电源 MUX 突然连接的负载。输入线上还有 2 个 3.5A 多保险丝,以在发生短路时保护 IC 和输出。EN 引脚连接到接地和 VSYS 之间的开关(用于关闭 DC-DC 转换器),VSYS 是电池管理 IC 为内部使用而创建的电源线。

其原理图如下:

此设计也主要基于参考原理图,Type C 和 Micro USB 均可用于本机的输入,以及通过 J6 连接的外部电池。

这种设计效果很好,但是存在一些问题,将会在下阶段修复。

问题 可能的修复
即使开关处于关闭位置,电池电压也会泄漏到输出线上 让 SW1 关闭 VSYS,从而关闭 MOSFTE
过放电保护关闭负载后,它在达到~3V 后重新打开,导致迟滞 添加 dw01 和相应的 MOSFET 以启用电池保护
SW1 关闭时静态功耗相当高 (5mA) 与第一期相同
无法直接检查 BQ25601 中的电池电压 使用 VSYS 状态获取不正确的测量/更换电池管理芯片
如果输入电压缓慢下降,电源 MUX 将失效,pi 将关闭

添加施密特触发器

关于本项目的更多电路图,原理图等资料请见附件下载 

  • gerber.zip
  • PiUPS BOM.csv

BOM清单

更多器件
器件型号 数量 器件厂商 器件描述 数据手册 ECAD模型 风险等级 参考价格 更多信息
BZV55-B2V4,115 1 Nexperia BZV55 series - Voltage regulator diodes@en-us MELF 2-Pin

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1N4001 1 Rugao Dachang Electronics Co Ltd Rectifier Diode, 1 Element, 1A, 50V V(RRM), Silicon, DO-41, ROHS COMPLIANT, PLASTIC PACKAGE-2
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IRF7404 1 Infineon Technologies AG Power Field-Effect Transistor, 5.4A I(D), 20V, 0.04ohm, 1-Element, P-Channel, Silicon, Metal-oxide Semiconductor FET, MS-012AA, LEAD FREE, SO-8
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IRLML2803TRPBF 1 Infineon Technologies AG Small Signal Field-Effect Transistor, 1.2A I(D), 30V, 1-Element, N-Channel, Silicon, Metal-oxide Semiconductor FET, TO-236AB, MICRO3, 3 PIN

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LM358 1 Kuwait Semiconductor Co Ltd Operational Amplifier, 2 Func, 7000uV Offset-Max, BIPolar, PQCC8
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TPS61088RHLR 1 Texas Instruments 10-A Fully-Integrated Synchronous Boost Converter 20-VQFN -40 to 125

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