如何为家用设备构建不间断电源

随着世界变得越来越先进，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，本文描述了为家庭设计的不间断电源，以保持家庭最重要的服务：Wi-Fi。

那么，在停电期间，如何使用Wi-Fi和其他家用设备呢？通过使用汽车电池作为备用电源来设计家用不间断电源 （UPS）。它连接到降压-升压转换器，该转换器产生稳定的12 V / 5 A电源为Wi-Fi路由器供电，以及6.5 V / 1.5 A降压转换器，为无绳电话供电。

适用于家庭的不间断电源 （UPS）

图1中的电路是出于必要性而设计的。随着2022年初能源危机的威胁迫在眉睫，世界和平处于刀刃边缘，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，但普通的Wi-Fi路由器需要2分钟以上的时间才能重新启动，如果在电话会议中电源消失，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。这足以使大多数笔记本电脑与外界保持通信。

图1所示电路。这种设计的备用电源是从废料场以20英镑的价格购买的预先喜爱的汽车电池。LTC®3789 是一款四开关降压-升压型转换器，可采用高于或低于此电压的输入，以极高的效率提供恒定的 12 V 电源。其评估套件在5 V至36 V输入电压范围内提供12 V/5 A，因此无需修改即可使用。由于Wi-Fi路由器只需要1 A，因此该评估套件可用于为许多其他需要12 V的应用供电。

无绳电话在约600 mA时需要6.5 V电压，因此选择LT8608为该电源轨提供低噪声、高效率和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获得最高的电路效率。一些低成本的电池充电器如果不能正确连接到电池，就会产生高电压，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，则可能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对连接电池充电器时产生高电压的担忧。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方面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 包含一个精准的比较器，用于检测主电源何时发生故障，并利用 4 个外部 P 沟道 MOSFET （PFET） 切换至其后备电源。

图 1.不间断电源 （UPS） 原理图。

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。然而，该电路仅将两个电源中最高的电源馈送到阴极的输出端，并在二极管上产生0.6 V的损耗。可以使用PFET来代替二极管来设计更有效的电路。测量PFET体二极管两端的压降，如果超过一定阈值，则FET导通，从而短路体二极管。如果该压降为负，则移除PFET的驱动器，并且体二极管阻断反向电流;因此，已经产生了一个理想的二极管，它具有低正向压降并在相反方向上阻塞。如图 2 所示。

使用本电路时，每个PFET的体二极管从输入点到输出，因此如果一个输入电压比另一个高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，则负载的功率将由备用电源提供，这是不希望的。反转PFET可以解决这个问题，但如果输出电压比输入电压高出600 mV以上，则体二极管会导通。

更简洁的解决方案是向每个路径添加一个额外的 PFET，如图 3 所示。在本电路中，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 2.二极管OR电路的理想二极管实现。

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的开关电压，对R3使用100 kΩ电阻，对R1使用10 kΩ + 2.2 kΩ电阻。这效果很好，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时，开关电压增加到11.8 V，从而减小了步长。

无绳电话电路更同情电源步骤，因此R15由22 kΩ + 10 kΩ电阻组成，开关电压为5 V。

波形如图4所示。绿色走线显示LTC4416的始终开启12 V输出，红色迹线显示墙上立方体的12 V输出，蓝色走线显示汽车电池电压。当示波器是直流耦合时，看不到对绿色迹线的干扰。当连接电源 12 V（600 ms 时）和断开（5.8 s 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，这表明来自墙壁立方体输出的噪声高于LTC3789的噪声。

图 4.当电源（红色迹线）断开时，12 V（绿色迹线）几乎不会受到干扰。

UPS电子设备的照片如图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盒的侧面。

图 6.带电池的完整电路。

未来修改

前面提到的电路要求切割墙壁立方体的电缆，以允许串联插入UPS。一个更整洁的解决方案是从汽车电池中产生340 V DC并将其馈送到扩展插座中，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12 V电池产生340 V电压所产生的损失以及降低壁立方体内部电压所产生的损失意味着低压电路将更加高效和简单，即使它确实意味着切割壁立方体电缆。

LTC4416 评估套件包括 LED，用于指示是使用主电源还是备用电源，并且这些 LED 可以很容易地带到外壳外部。另一个有用的补充是一个按钮开关，用于人为地将 LTC4416 的使能引脚拉至低电平，以测试切换功能。

该电路经过了广泛的测试，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。LTC®4416 是 ADI 公司提供的多种理想二极管和热插拔器件的一部分。

结论

本文中描述的电路说明了一个简单的家用不间断电源的设计，该电源可以构建为在发生电源故障时保持各种家用电器的运行状态。没有理由不能对该电路进行修改，以使用更强大的MOSFET和更大的电池来增加输出功率和更长的备用寿命。

审核编辑：郭婷