Сборка любого железа само по себе интересное занятие. Особенно, если что-то делается не совсем как у других и для души. Взять, например, NAS - процессор x86 или ARM, конструктив, количество и тип дисков и т.д., каждый выбирает тот путь, который ему ближе и понятней. Причем часто хочется сделать не только мощно, но и компактно, и тихо. Поэтому, любое дополнительное внешнее устройство может свести на нет все старания. Так и с UPS (ИБП - Источник Бесперебойного Питания), который для NAS является очень нужным элементом, поддерживая его в рабочем состоянии во время кратковременных, а то и длительных перебоев питания, не всё так просто.
Как известно, большинство UPS подключаются между розеткой 220В и NAS. При этом ничто не мешает разместить UPS внутри корпуса NAS или хотя бы позаботиться об этом заранее. Даже известные компании редко интегрируют UPS внутрь корпуса, но при этом старательно проводят отбор среди лучших производителей и раздают советы по поводу выбора UPS.
Рассмотрим вариант дизайна такого UPS, который можно разместить внутри корпуса и ограничимся теми NAS, которые для работы требуют только одного напряжения питания 12В. Забегая вперед сразу отмечу, что можно зарезервировать даже стандартное ATX питание, но это несколько другая тема, больше относящаяся к разработке DC/DC преобразователей.
Итак, пусть требуется обеспечить бесперебойным питанием NAS на основе ARM процессора, напряжением питания 12В, четырьмя-пятью дисками и временем работы не менее 20 минут.
Если прикинуть потребляемую мощность такой системы, то это примерно 60Вт в полной нагрузке. Соответственно, для часа работы от батарей необходим источник с запасом 60Втч, а для 20 минут в три раза меньше, т.е. 20Втч.
В пересчете на хорошие промышленные Li-ion аккумуляторы, это примерно составляет два элемента 18650 ёмкостью 2,6Ач:
Таким образом, возьмем за основу два элемента 18650 и разработаем на их основе простой UPS, который можно собрать только из готовых модулей и доступных деталей, легко поддающихся пайке в домашних условиях.
Чтобы плавно перейти к основной схеме UPS, давайте сначала её представим в упрощенном виде и рассмотрим принцип работы.
Как можно видеть, есть два пути подачи питания на выход, которые коммутируются двумя диодами. Если входное напряжение есть, то оно поступает через верхний диод на выход - это обычный режим работы. При этом нижний диод закрыт и батарея заряжается. Далее при пропадании входного напряжения, нижний диод открывается, верхний диод закрыт и напряжение начинает поступать на выход с повышающего преобразователя.
Напряжение на выходе повышающего преобразователя должно быть чуть меньше входного, чтобы нижний диод оставался в закрытом состоянии при наличии входного питания.
Коммутация диодов происходит автоматически и для этого никаких дополнительных элементов не требуется. Однако, на открытых диодах возникает падение напряжения, которое при достаточно высоком токе вызывает нагрев диодов. К примеру, при мощности нагрузки 60Вт и напряжении питания 12В, диоду придется рассеивать мощность не менее 2Вт. Не смертельно, но и хорошего мало.
Попробуем улучшить эффективность UPS, не особо усложняя дизайн за счет специализированных контроллеров O-Ring диодов и схем защиты от обратного тока. Для этого параллельно диодам подключим тройник реле, так чтобы при наличии входного напряжения реле было бы под током и напряжение поступало бы на выход через нормально разомкнутый контакт реле (NO), а при пропадании - через нормально замкнутый контакт (NC). При таком включении, контакты реле будут шунтировать открытые диоды, предотвращая их нагрев.
Логика переключения реле может быть задана следующей диаграммой:
Включением реле управляет детектор пропадания входного напряжения, который включает реле при напряжении на входе свыше 11.7В и выключает при снижении напряжения до 11.4В. Гистерезис гарантирует стабильное включение и выключение реле, без него реле может включиться, а может и дребезжать начать (переходить из одного состояние в другое) вместо включения.
Полная структурная схема
Добавив блок управления реле, а также необходимый функционал согласно нашим желаниям, приходим к следующей структурной схеме:
Как можно видеть, схема состоит из нескольких основных блоков:
модуль заряда батарей (Charger)
мощное реле (Relay)
повышающий преобразователь (Boost DCDC)
модуль балансировки батарей (BMS 2S)
модуль индикации заряда (Charge Status)
детектор пропадания напряжения (Off-Line Detector)
два диода
кнопка сна (Sleep)
Для того, чтобы соответствовать курсу на простоту сборки, найдем для каждого блока соответствующий готовый модуль. Я не занимаюсь рекламой, поэтому буду приводить лишь фото модулей и их описание, по которым очень просто найти их в многочисленных магазинах электроники или заказать у китайцев. Ещё я заметил, что очень часто часть функционала чипов в китайских модулях просто не задействована и даже соответствующие ноги никуда не выведены.
Модуль заряда батарей
Например, в модуле зарядки, который я использовал, установлен китайский контроллер TP5100 в минимальном подключении. В результате без существенных доработок не подключить термистор для контроля температуры батарей, а также упущена возможность существенно упростить схему перехода на резервное питание. С одной стороны для большинства применений эти функции может быть и не так важны, но в случае с UPS очень пригодились бы. Дело за малым - сделать свой собственный модуль, но не сейчас, не для этого прототипа.
В итоге вся доработка зарядника свелась к двум вещам:
– Была запаяна перемычка, которая устанавливает напряжение заряда 8.4В, это как раз нужно для 2S подключения батарей;
– Выпаял один из двух резисторов-шунтов, которые задают ток заряда, чтобы снизить ток заряда с 2А до 1А. Можно сделать еще меньше, но для этого нужен шунт новый искать или монтировать резисторы “домиком” - последовательно. По опыту чип резисторы ужасно чувствительны к любым стрессам, что выливается в отслоение терминала, которое можно даже не заметить, поэтому, не рискуем.
Мощное реле
Следующим модулем на доработку идет модуль реле с выбираемым уровнем управления. Хотя достаточно было бы простого драйвера с транзистором, но плата оказалась очень удобной как в плане доработки, так и выборе нужного уровня управления.
Доработка модуля сводится к пайке сдвоенного диода с общим катодом снизу платы к площадкам тройника реле:
Диод MBR20100CT был куплен в ближайшем магазине радиодеталей, видимо очень ходовой:
Диоды нужны только для коммутации питания на выход в момент переключения реле. Это десятки миллисекунд, за это время они не успевают даже нагреться.
Последнее, что надо будет сделать с модулем реле, это установить перемычку, которая задает уровень срабатывания реле, в положение L:
Повышающий преобразователь
Напряжения на двух батареях недостаточно для стабильного питания NAS. Чтобы его увеличить до 12В необходим Boost DC/DC - повышающий преобразователь.
Я нашел два модуля с подходящими габаритами и параметрами. Один из них построен на TPS61088 - чип от TI, который я уже применял, а другой на LTC1871.
Второй модуль на основе LTC1871 удалось купить в тот же день:
Судя по разводке - это точно Boost преобразователь, а по маркировке выходного диода (SD1040CS - 40В, 10А) и транзистора (MOSFET D4184 - 40В, 50А) становится понятно, что заявленный ток 7А ограничен фактически катушкой. Что я не могу понять до сих пор, это то, как китайцы умудряются делать копеечные модули на чипах, стоимость которых в несколько раз выше самого модуля.
У модуля также есть встроенный вольтметр, который позволяет контролировать входное и выходное напряжение с помощью индикатора. Удобно крутить многооборотный резистор и выставлять напряжение. На всякий случай проконтролировал установку с помощью Fluke, как и ожидалось точность ±0.1В, что вполне достаточно для данного UPS.
Одно но - подписи к кнопкам не соответствуют действительности. IN - включение / выключение индикатора, а OUT - выбор измерения входного / выходного напряжения.
Дорабатывать модуль нет необходимости, достаточно предварительно выставить напряжение 11.7В.
Модуль балансировки батарей
Для балансировки Li-ion батарей существует огромное количество всевозможных модулей. Китайцы как правило делают их на своих собственных чипах и даже ставят правильные шунты. Так что просто нашел модуль типа 2S - на два аккумулятора и запаял его как есть.
У модуля балансировки есть очень полезная функция - напряжение на выходе не появляется до тех пор, пока к нему не будет приложено напряжение заряда. Это позволяет хранить батарею с установленным модулем без опасения замкнуть входные клеммы, а также можно в любой момент обесточить батарею кратковременно отсоединив любой из терминалов B+ / B-.
Кнопка Sleep на структурной схеме как раз и переводит батарею в неактивное состояние. При сборке NAS эта функция реально себя оправдает, так как не придется выполнять сборочные работы под напряжением.
Самое главное - это:
подключить аккумуляторы к B+ / B- / BM
подключить входное напряжение к P+ / P- терминалам
Модуль индикации заряда (напряжения)
Пожалуй самое сложное с точки зрения обслуживания батарей - это оценка их реальной ёмкости. Скажу сразу, я сделал все очень просто как в старых добрых мобилах. Ведь никого особо не напрягает тот факт, что индикатор уровня заряда батареи в мобиле / смартфоне отличается от реальности и со временем ситуация только ухудшается. Вот и я подумал, что для простого UPS достаточно будет измерить только напряжение на батареях.
В качестве индикатора напряжения был выбран простой индикатор с четырьмя фиксированными уровнями:
Лучше всего постараться найти индикатор с диапазоном напряжений (6.6-8.4)В. Тогда нижний уровень 6.6В - это суммарное напряжение двух практически разряженных аккумуляторов, а 8.4В - уровень напряжения, которое используется для заряда и его можно использовать как индикатор наличия входного напряжения.
Алгоритм работы системы питания NAS можно представить следующей диаграммой:
Сам по себе индикатор вещь не очень нужная, однако его можно использовать для сигнализации пропадания питания и работы от батарей. В этом случае верхний светодиод или 100% показывает, что есть напряжение заряда 8.4В или то, что батарея еще достаточно свежая. Нижний светодиод или 25% показывает, что напряжение батареи еще достаточно для работы повышающего преобразователя, но уже пора запускать механизм выключения. Это позволит корректно завершить работу NAS перед тем как батарея полностью сядет.
Дорабатывать модуль не надо, нужно только припаять провода к контактам питания (+/-) и к площадкам светодиодов, которые показывают нижний и верхний уровни напряжения:
Название |
Цвет провода |
Уровень напряжение, В |
+ |
красный |
8.4 |
- |
черный |
GND |
25% |
зеленый |
0 - светодиод не горит 2.7 - светодиод горит |
100% |
фиолетовый |
В теории, цепи 25% и 100% можно подключить к GPIO контактам процессора напрямую, если они рассчитаны на 3.3В логику. Но даже в этом случае существует вероятность “запитывания” процессора через контакты GPIO, если процессор находится в выключенном состоянии.
Чтобы избежать любых негативных последствий, подключать цепи 25% и 100% к процессорным GPIO, лучше через схему согласования уровней:
Искать в точности такой модуль или делать его самому может быть и не надо. Существует достаточно удобная плата согласования уровней, которую можно подключить следующим образом:
Площадки GND справа и слева соединены на плате, достаточно только подключения со стороны платы процессора. Подключение к площадке HV также не требуется, так как нам не нужно двунаправленное согласование и используются только интегрированные диоды в транзисторах. Следует выпаять только резисторы подтяжки, обозначенные на рисунке.
Детектор пропадания напряжения
Для того, чтобы включить или выключить реле в зависимости от величины входного напряжения, необходимо установить соответствующий детектор.
Такой детектор можно сделать, например, на модуле с LM393, у которого можно установить необходимый порог срабатывания. Однако, я не стал заказывать и ждать его с Али, а сделал сам на макетке, учитывая, что времени на это ушло порядка часа.
В качестве компаратора с гистерезисом также можно использовать управляемый стабилитрон TLVH431:
На схеме резисторы R1 и R2 задают напряжение включения реле, в данном случае это:
У открытого стабилитрона напряжение на катоде составляет порядка 0.9В. Этого достаточно чтобы включить реле. Вместе с реле открывается транзистор и подключает резистор R4 параллельно резистору R1. С учетом этого, стабилитрон теперь закроется только при входном напряжении существенно ниже 11.7В:
Схема детектора была смонтирована на макетке для SOIC-8 / MSOP-8:
Сборка
После доработки всех модулей можно переходить к сборке всего в корпус. Каких то рекомендаций давать не буду, так как все зависит от того, что есть под рукой и желания сделать хорошо.
За основу общей платы лучше взять текстолит без фольги, он не горит и обрабатывается легко. Сечение проводов минимум 0.75мм^2 для мощных цепей и 0.35мм^2 для остальных. На корпусе нужно будет разместить два разъема питания для входного и выходного напряжения, индикатор питания и кнопку Sleep. Кнопка может быть без фиксации на разъединение, хотя можно использовать и с фиксацией. Главное, чтобы контакты кнопки выдерживали ток не менее 4-5А.
Также следует уделить внимание тому, что модуль зарядки батарей может незначительно греться, особенно в самом начале. Поэтому, рекомендую его сразу приклеить обратной стороной платы на двусторонний термоскотч к небольшому радиатору.
Я все разместил на фанерке (не лучший выбор), закрепил модули и все спаял по месту:
Настройка и проверка
После того как все собрано можно переходить к первому включению. Но для начала я бы рекомендовал обязательно выполнить следующие операции:
– Зарядить аккумуляторы внешним зарядником и только после этого вставить их в отсек. Напомню, что напряжение на выходе модуля балансировки не появится до тех пор пока не будет подано внешнее напряжение, поэтому можно спокойно работать дальше.
– Далее следует выставить / проверить выходное напряжение повышающего преобразователя без нагрузки. Для этого нужно отсоединить провод от выходного терминала OUT+ и подав внешнее питание, выставить триммером напряжение 11.7В. Контроль можно проводить как встроенным индикатором, так и подключив тестер. Не забыть, что кнопка IN - включает / выключает индикатор, а кнопка OUT - выбирает напряжение для измерения - вход либо выход.
– Также необходимо проверить, что реле включается при напряжении 11.7В и выключается при 11.4В, ну или хотя бы выключается. Если реле включается, но не выключается, то следует проверить монтаж и номиналы компонентов детектора.
– Обязательно надо проверить не греются ли диоды при включенном и выключенном реле. Если греются, то это явно ошибка монтажа. Диоды греться не должны.
Остальные проверки можно проводить уже по месту или выполнить их заранее до сборки. Тут каждый себе мастер и настройщик.
Тестирование
Лучше всего проводить тестирование не на боевом железе. Все таки NAS вещь дорогая и необходимо убедиться заранее, что все функционирует согласно ожиданиям.
Основное, что надо проверить, это:
– заряд аккумуляторов без нагрузки и под нагрузкой (на всякий случай);
– переход на резервную батарею после пропадания входного напряжения;
– время работы батарей под нагрузкой.
Для тестирования обязательно понадобятся хорошие кабели питания. Проще всего их сделать из готовых компьютерных кабелей:
В качестве нагрузки можно использовать электронную нагрузку (обычный такой домашний прибор). Также можно подключать мощные резисторы для проверки под нагрузкой, начиная с 1А и далее по желанию.
Что можно улучшить
Несмотря на все достоинства и положительные эмоции, стоит сказать, что представленная конструкция блока UPS во многом нуждается в улучшении.
В первую очередь, необходимо улучшить схему контроля ёмкости батарей и организовать более информативную связь с процессором.
Возможно следует добавить универсальности в подключении различных типов соединения батарей, таких как 2S2P, 2S3P, 3S1P и т.д.
В случае с последовательным соединением трех и более батарей, потребуется замена повышающего преобразователя на преобразователь, который способен не только повышать напряжение, но и снижать его - SEPIC или Buck/Boost.
В перспективе хочется добавить стандартный интерфейс связи UPS с материнской платой, такой как USB или UART. Для этого понадобится микроконтроллер, например, RP2040.
Подведение итогов
Честно говоря, просматривая текст, я понял, что решение то не очень простое оказалось. Вроде бы и модули готовые, а вот все равно много чего надо учесть и внимательно повторить.
С другой стороны, голова боится, а руки делают. Так что не вижу проблем, почему бы не повторить конструкцию самостоятельно. На сборку и отладку уйдет не больше недели с учетом всех закупок и подготовки.
Как результат сборки, получится довольно компактный UPS, который можно разместить практически в любом корпусе:
Стоит отметить, что для сборки были использованы только готовые модули, которые можно найти в большинстве радиолюбительских магазинов или заказать на Али. Даже то, что один из модулей все таки пришлось собрать практически на коленке, говорит о простоте и возможности повторения. Вместе с тем, UPS способен резервировать напряжение питания небольшого NAS с 4-5 дисками в течении минимум 20 минут, сигнализируя процессор в нужный момент о переходе на резервное питание и необходимости завершения работы при глубокой разрядке батарей.
Отмечу, что данный UPS был разработан специально для проекта NAS, над которым мы работаем целой командой. Наша цель состоит в разработке такой конструкции, которая будет модульной и удобной в плане модернизации и улучшения, начиная с вычислительного модуля, заканчивая дизайном корпуса. Проект открытый и всей информацией о ходе разработки, включая этапы дизайна, тесты, любые детали конструкции и всё, что нам интересно, мы обсуждаем с подписчиками в нашем Telegram канале.
В данной статье была рассмотрена только одна часть задачи - это аппаратное решение. Понятно, что этого явно недостаточно, так как UPS необходимо интегрировать в NAS не только аппаратно, но и программно. Поэтому, в следующий раз будем исследовать вопрос, связанный с программными решениями подключения UPS к процессору и организацию их взаимодействия.
Комментарии (88)
aik
00.00.0000 00:00+6А как на счёт общения ИБП с nas?
Хотя бы остаток заряда узнавать.
А в идеале, конечно, автовключение после появления напряжения в сети.
Но не сразу, а когда бататейки подзарядятся.
innokenty_vyz
00.00.0000 00:00Ну два сигнала ИБП уже отдаёт в NAS по GPIO: "Работа от батареи" и "Заряд ниже 25%".
Для "копешного" решения этого должно хватить.
Смотреть остаток заряда при возможности работать 20 минут без сети не очень интересно на мой взгляд. А функция автовключения звучит здравно. Действительно хотелось бы поставить контроллер поумнее в ИБП и реализовать такое.
fk0
00.00.0000 00:00-1Вот ту TLVH421 для чего и можно использовать: выдавать сигнал разрешающий работу при напряжении на батарее выше чем. А оно не будет выше чем, т.к. зарядное устройство ограничивает ток.
sdy Автор
00.00.0000 00:00+1Как ответил мой коллега Вадим ( @innokenty_vyz ), сейчас пока сделано общение через GPIO. В следующем прототипе будем ставить RP2040 для контроля емкости батарей, оценка не только напряжения, но и тока заряда, расчет внутреннего импеданса батарей, измерение температуры нагрева каждого элемента чтобы выявить проблемную банку и далее связь либо через USB, либо через UART с процессором NAS.
aik
00.00.0000 00:00Вот это как по мне всё необязательные свистелки. В хозяйстве пригодится, но обычно вполне достаточно уровня заряда и процента нагрузки.
А вот возможность нормально включаться после завершения работы была бы очень полезна.sdy Автор
00.00.0000 00:00Чтобы с предварительным подзарядом батарей, а потому уже стартовать? В принципе можно подумать.
aik
00.00.0000 00:00+1Да. Чтобы не сразу питание подать на «комп», как оно в розетке появится, а чуть позже.
Ибо нередка ситуация, когда оно через минуту-другую после появления снова пропадёт — а у вас батареи разряжены, а компьютер в этот момент загружается. То есть даже если он при разряде батарей штатно завершил работу, то теперь не сможет этого сделать и питание у него отрубится в процессе включения. Что может быть хуже, чем просто нештатное отключение.
serafims
00.00.0000 00:00+1Есть на гихабе проекты эмуляции USB HID UPS на базе Arduiono Pro Micro/Leonardo (atMega32u4) - там есть подводный камень в нумерации endpoint в дескрипторе USB, вроде бы проблема только с Synology, но решается выпиливанием класса CDC из arduino и установкой в 0-й endpoint собственно функции UPS HID. Без этого этот UPS пригоден только для города, где 2-я категория электроснабжения (да и то условно). Автовключение через хотя бы 30% заряда батарей, веб-интерфейс для мониторинга и подачи команд включения...
k61n
00.00.0000 00:00+5Не внушают доверия эти ДЦ-ДЦ преобразователи с алишечки. С удовольствием бы почитал какой-нибудь обзор про качественные и некачественные модели.
YMA
00.00.0000 00:00+3Проблема в том, что у китайских мелких производителей сложно с повторяемостью и стабильностью параметров. Один и тот же товар может быть как просто прекрасным, так и жутко некачественным. И узнать про изменение комплектующих иногда можно только по факту.
PS: спасибо автору за интересную статью. Подглядел для себя вариант с реле+диоды, обычно использовал или то, или другое - а вот совместить как-то не приходило в голову.
sdy Автор
00.00.0000 00:00+2У меня был опыт серийного производства nano-ITX платы, в которой использовались только китайские конвертеры DC/DC в общей сложности штук двадцать на одной плате было. Начиная от 200мА до 8А. Вообще ни одного случая отказа по системе питания на 3000 платах. Сами контроллеры были копеечные, LDO - Richtek, PWM/PFM - Silergy. Так что Китай-Китаю рознь. Да и смотрел я эту плату Boost, реально хорошо сделана. Разводил, правда, Малевич китайский, но косяков по силовой части я не увидел. Спаяно тоже железно, шелкуха хорошая, маска толстая, отмыто всё. Не поручусь за всех производителей, но тут также как и во всем мире. И вообще по-опыту, я бы с китайцами лучше бы работал, нежели с Европой косячной или Америкой криворукой - был опыт общения со всеми, так что могу на эту тему порассуждать.
k61n
00.00.0000 00:00Ничего не хочу сказать плохого ни за Китай ни за другие страны. И нет такого опыта как у вас. Я как-то покупал подобный регулятор на 6A https://www.aliexpress.com/item/32868026249.html он неплохо так грелся и летом, когда было особенно жарко, он погорел и потянул за собой некоторые компоненты. Было неприятно. Вот кстати, может вы что-то посоветуете в качестве альтернативы? У меня было 6 литиевых банок и я хотел стабильные 12В на выходе.
sdy Автор
00.00.0000 00:00+3Какая у вас схема соединения батарей была, 6S1P или 3S2P? Для 3S2P вот прямо есть такое чудо Тайваньской мысли. Корпусные DCDC я б с Али не брал бы. Лучше здесь искать что-то типа Mean Well. На Али к корпусным и всяким wall адаптерам отношение как к электронике второго сорта, очень плохо делают.
k61n
00.00.0000 00:00Да, 3S2P. Благодарю за рекомендацию. Выглядит прилично. Но похоже надо следить чтобы банки не разрядились меньше 3В каждая.
sdy Автор
00.00.0000 00:00+2Разрядка меньше 3В для банки не очень хорошо. Ставьте BMS плату для 3S2P, она будет следить за этим и просто отключит банки в нужный момент.
k61n
00.00.0000 00:00Я вот ещё на вот этот поглядываю
https://www.bicker.de/en/dc160ws_dc-dc_converter_with_selectable_output_voltage_160w_6-36vdc_plus_12v-plus_19v-plus_24vdc_open_frame_wide_range_1_inch_fanlesssdy Автор
00.00.0000 00:00+3Очень известная контора, делал дизайн с их 1U БП с резервированием. Еще у них на выставке видел ИБП, у которых вместо химии были использованы суперконденсаторы (ионисторы) - огроменные банки размером с пусковые кондеры.
VT100
00.00.0000 00:00+1Сами контроллеры были копеечные, LDO — Richtek, PWM/PFM — Silergy.
Недавно видел плату свежего ноутбука Lenovo. Они там и были. Из ряда выбивался только ON semi. для GPU.
Crazy_Pit
00.00.0000 00:00+2Упрощённая схема задумывалась так. Реле коммутируется источником питания. От него же производится зарядка аккумулятора через бмс .При пропадании питания реле размыкается и аккумулятор замыкается на нагрузку. Пока в железе не делал за ненадобностью. Нюансы по напряжению. 3 аккумулятора лития это 12,6 в а хотелось бы 12. можно ставить диод но тогда смысл в реле отпадает.
innokenty_vyz
00.00.0000 00:00Дмитрий в статье пишет:
> "Однако, на открытых диодах возникает падение напряжения, которое при достаточно высоком токе вызывает нагрев диодов."
Уверены, что в вашей схеме без реле можно обойтись?
sdy Автор
00.00.0000 00:00+1Чтобы реле отпустило контакт, его надо обесточить. В таком варианте на выходе на небольшой момент времени напряжение будет равно нулю. NASу это не понравится.
fk0
00.00.0000 00:00+2Достаточно электролитического конденсатора на выходе. Но всё же подразумевается, наверное, что SPDT реле использовать -- нельзя (может закоротить оба контакта, хотя бы дугой). Значит нужно два реле, переключаемых с заметной задержкой. И диод уже всё равно нужен (потому, что задержка неприлично большая). Сложности-то какие. Вот действительно, либо мощный диод, либо схема на мосфетах -- проще.
sdy Автор
00.00.0000 00:00+1Для схем, у которых реле запитано от входного напряжения и нет модуля защиты от обратного тока, наличие нулевого напряжения на выходе является обязательным условием для переключения реле. Тут ни конденсатор, ни какие идеальные диоды на MOSFET не помогут. В таких схемах надо обязательно добавлять схемы управления этими идеальными диодами, которые будут препятствовать протеканию обратного тока с выхода на вход, по-сути это схемы защиты от обратного тока.
Didimus
00.00.0000 00:00А если взять старый бэушный APC самый младший и вставить туда сборку из 4-х литийонов, они помрут?
fk0
00.00.0000 00:00Большая опасность всех переделок компьютерных UPS на нестандартный аккумулятор повышенной ёмкости в том, что трансформатор в UPS не расчитан на выдачу большой мощности в постоянном режиме (он свои 20 минут отрабатывает за счёт своей огромной тепловой ёмкости, ему тепло некуда девать, а он порядочно греется -- ибо на нём порядочно сэкономили). В итоге трансформатор перегреется с непонятными дальше эффектами, и возможно с дымом и пламенем.
Чтоб было понятно, дешёвые микроволновки страдают тем же эффектом. Несмотря на то, что шкала на 20 минут, часто уже через 5-10 минут оно само выключается и надо ждать пока остынет (там где-то позистор, чтоб без дыма и пламени обойтись).
Didimus
00.00.0000 00:00+2Речь, скорее о том, что изначально там свинцовая банка, а предлагается заменить на литионную
Iv38
00.00.0000 00:00Так делают. Но обычно ставят 3, а не 4 банки. При этом надо доработать схему заряда ИБП, чтобы снизить напряжение заряда. Можно и не снижать. BMS не даст перезарядить банки, но при этом ИБП считает батарею испорченной. Работать продолжает, но постоянно пищит.
Вроде бы всё проще при использовании LiFePO4. Их даже, бывает, сразу продают в стандартных корпусах для ИБП. В таком случае ничего переделывать не надо.
AVX
00.00.0000 00:00+3Есть пара минусов у такой схемы (на самом деле больше). Диоды снижают напряжение (до 0.6В может быть потеряно). А главное - если пробьёт один диод - то есть риск попадания входного 12В на выход преобразователя (возможно, со всякими спецэффектами). Самый (на мой взгляд) правильный метод - это в ноутбуках. Там есть специально контроллер заряда на материнской плате (на жаргоне называемый "чарджер", "charger"), есть полевики на входе (обычно два, разного типа проводимости), и обвязка, которая гарантирует, что при пробое одного из полевиков спецэффектов не случится. Случиться могут если входное будет превышено. При этом полевики в открытом состоянии почти не снижают напряжения (сопротивление открытого канала 4-14мОм, в более старых могло быть больше, 20-30мОм). И отслеживается диапазон допустимого входного напряжения - если что, дальше входных полевиков оно даже не пойдёт, чарджер не откроет их. Но минус один и большой - сложность схемы, и видимо, дороже будет...
fk0
00.00.0000 00:00+4Попадание напряжение на выход любого преобразователя как правило относительно безопасно. Хотя бы потому, что там обычно бывает электролит порядочной ёмкости, что намекает, что ситуация Vout > Vin практически штатная (в момент отключения внешнего питания это случается всегда).
Да, есть нюансы. При значительной (от ~5 вольт) разнице Vout - Vin в обычной "кренке" (КР142ЕНxxx, LM317) запросто пробивает база-эмиттерный переход внутреннего транзистора. Поэтому параллельно с кренкой включают диод в обратную сторону. Но без диода оно запросто включается и просто с КР142ЕН8Б при наличии на выходе просто электролитического конденсатора. Собственно поэтому на всех схемах диод и рисуют. Иначе выдернув источник питания из розетки можно получить волшебный дым.
В современных импульсных схемах обычно есть MOSFET у которого т.н. body diode оказывается включенным в обратную сторону и питает первичную сторону. В принципе наверное это не проблема, не считая того, что аккумулятор может немного быстрей разряжаться. Да собственно там питать нечего, конденсатор и выпрямитель. Может быть светодиодик.
VT100
00.00.0000 00:00… и обвязка, которая гарантирует, что при пробое одного из полевиков спецэффектов не случится. ...
Не гарантирует. Если будет пробит накоротко "нужный" транзистор, то напряжение бесрепятственно пройдёт на выход через body-диод второго.
Надёжность в ноутбуках достигается тем, что последующие преобразователи питания рассчитаны как на работу от батареи (10-12 В), так и на работу от внешнего питания (15-20 В).
fk0
00.00.0000 00:00+4Не понятно зачем вообще реле нужно. При таких токах это экономия на спичках. И, в конце концов, если неймётся, то можно было собрать "идеальный диод" на мосфетах.
Самый большой недостаток: опять отсутствие схемы защиты аккумулятора. Что будет при неисправном зарядном устройстве или схеме балансировки, когда аккумулятор перезарядят? Пожар... И это произойдёт рано или поздно.
Равно как и отсутствие какой-то формы предохранителя на случай КЗ в самой схеме. От аккумуляторной батареи до повышающего преобразователя. Сам по себе он потенциально защищает от КЗ, но может же и сам сгореть устроив КЗ. Запросто. Проблема в том, что если любой сетевой источник так или иначе ограничивает ток КЗ или имеет защиту от КЗ ("икающий/huiccup" режим), то аккумуляторы как есть ничего не ограничивают и запросто выдают десятки ампер.
Вся схема вокруг TLVH431 вообще непонятна: ведь если пока есть питание реле было включено, то при пропадании питания ток пойдёт через реле от аккумулятора и повышающего преобразователя в сторону сетевого источника и будет его "питать". В конечном счёте реле никогда не закроется. Как это вообще может работать? Тут нужна схема реагирующая не на абсолютное значение напряжения, а на направление тока, или сравнивающая напряжение от двух источников. :-/
На схеме конечного автомата есть "выход" (справа) в направлении "OFF", когда аккумулятор сел. Но как это реализуется? И, кстати, что вообще препятствует переразряду аккумуляторов? Особенно в ситуации, когда у них не равна ёмкость. Это типовая причина же, почему умирают аккумуляторные батареи с последовательным включением: остальные элементы устраивают самому слабому глубокий переразряд или даже реверс напряжения. Поэтому в идеале следить нужно за всеми и отключаться сразу как самый слабый дошёл до порогового напряжения.
Непонятен какой выход из состояния "OFF". Интересный конечный автомат у которого можно прийти в состояние без выхода... Ведь это самое интересное в любом UPS. Не будет ли так, что NAS будет включаться, работать две минуты, и на самом интересном месте резко выключаться. И так в цикле. Или включать обратно нужно строго кнопкой? Но такое не годится для автоматической работы. Обычный UPS должен не давать питание на компьютер пока на зарядится на сколько-то процентов. Иначе рискует не выполнить свою функцию при повторном отключении сети.
Вообще на рынке есть для такой задачи специализированные AC/DC источники с функцией UPS. Самый дешёвый -- наверное AD-155. Туда подключается кислотная батарея на 12 вольт (что на мой взгляд, для стационарных приборов куда более осмысленно: нет проблем с пожаробезопасностью, литий нужен там где масса играет роль). И оно просто потом само работает. Само заряжает, само отсекает при переразряде, и даже "сброс" на внешний прибор генерирует. У mean well есть и другие источники, там условный "power good" вместо сброса. Может это лучше подойдёт. Хотя документация откровенно скудная, надо признать.
Потом может нет смысла именно в UPS который позволит аккуратное завершение работы. В конце концов рано или поздно случится не аккуратное, и будет лучше чтоб операционная система, файловая система, приложения, базы данных, сами нормально обрабатвали такую ситауцию. Тогда UPS становится проще (не нужна специальная логика после полного разряда), но с другой стороны встаёт вообще вопрос зачем он нужен. Если "свет часто моргает" -- может быть нужен. А при прочих равных даже обычный покупной UPS может стать источником пожара. И если это всё размещается дома, а не в серверной, то может и вовсе не нужен, во избежание...
sdy Автор
00.00.0000 00:00Идеальный диод на мосфетах. Как же я этого ждал. А не получится у вас ничего с идеальными диодами на мосфетах. Чтобы работало надо еще добавлять схему защиты от обратного тока. Насчет выхода из OFF - так это исходное состояние, когда напряжение 220В просто отсутствует. Появится напряжение - произойдет событие PowerOn и NAS включится. Кстати, режим автономного старта после выключения, также обычно настраиваемая программная фича.
Grey83
00.00.0000 00:00Недавно аналогичная тема была.
Я давал ссылку на схему с такой защитой (схема не моя, сам я не проверял).sdy Автор
00.00.0000 00:00Ща заценим
sdy Автор
00.00.0000 00:00
Все дело в этих волшебных пузырьках диодах
fk0
00.00.0000 00:00-1Эта схема отвратительно себя ведёт в пограничных условиях, когда Vin ~= VBat. Ток начинает течь через встроенный диод мосфета и греть его.
Grey83
00.00.0000 00:00Тут Vin должен быть около 5В (хотя по даташиту TP4056 поддерживает от 4В до 8В на входе)
У диодов Шоттки падение напряжения порядка 0.1В, емнип. Так что Просто нужен нормальный БП на входе а не китайское говно, которое сгорит при чуть ли не при первом включении.
fk0
00.00.0000 00:00+2Ну я ж сразу дал ссылку выше, там схема с токовым зеркалом (нужна пара в одном корпусе). Это уже по-моему года три назад 10 раз обсасывалось на caxapa.ru. Можно изголяться на транзисторах самому, можно взять готовую микросхему (дороже). Там по второй ссылке есть несколько вариантов: https://www.electro-tech-online.com/articles/simple-inexpensive-ideal-diode-mosfet-circuits.817/
Идеальный диод управлемый токовым зеркалом. Можно чем-то вроде INA190 ток измерять, можно подходящим (rail2rail) операционником или компаратором напряжения сравнивать.
С другой стороны, можно и за напряжением следить, если гарантировать, что сетевое строго выше полностью заряженного аккумулятора (и преобразователя после). И по пороговому значению входного напряжения переключаться. Можно сделать на TL430 или аналоге. Вариантов масса. Но нужно обратить внимание на работу в граничных и переходных условиях.
Но мне всё равно непонятно, почему реле шунтирует один диод, но не шунтирует другой. Они ж оба одинаково греются.
sdy Автор
00.00.0000 00:00Ну вот, это уже то, что надо. Это и есть схема защиты от обратного тока. Много где применяется, даже в RPi.
sdy Автор
00.00.0000 00:00+2Кстати говоря, я заказал пару модулей готовых на Али со схемой защиты от обратного тока. Как приедут, так сразу попробую на них сделать вариант, чтобы от реле можно было отказаться. Ну т.е. веру в китайские готовые модули с Али не теряем.
zuek
00.00.0000 00:00Ну, знаете, защиту от всего предусмотреть невозможно - вот, например, у меня дома вполне серийный APC Back-UPS ES 700 устроил "файер-шоу", пока меня не было дома, без нагрузки:
Плата после вскрытия тела
Благо, дома была жена и смогла его отсоединить и унести в ванну (я исходил из соображений, что даже если воспламенится корпус ИБП, в окружении чугуна и кафеля он вряд ли причинит значительный вред), т.к. по телефону я не смог внятно объяснить, как изъять батарею из прибора, разбрасывающего искры... а искрил он, со слов супруги, ещё минут 10 после отключения от розетки и потребителей.
AlexanderS
00.00.0000 00:00+2Что я не могу понять до сих пор, это то, как китайцы умудряются делать копеечные модули на чипах, стоимость которых в несколько раз выше самого модуля.
Это не правило, но бывает, что чипы в модулях и чипы отдельно — это далеко не одно и то же. Что логично объясняет разницу в цене)
В целом статья хороша. Читал с этаким хорошим привкусом «Ардуино, который мы потеряли»)
Как всегда изначальный настрой «за вечер собрать всё на готовых модулях» разбивается о суровую реальность бытия.
Nazar_Kam
00.00.0000 00:00+1Я вот думаю. А что мешает для целей ИБП использовать тот же резервный источник питания 12 В со стабилизированным напряжением 12 вольт типа для охранно-пожарной сигнализации? В некоторых моделях присутствуют выходы состояния (220, АКБ). Просто думал о подобном. Но проблему вижу только в связи с NAS - нужна дополнительная плата интеграции, как подсказал @serafims:
Есть на гихабе проекты эмуляции USB HID UPS на базе Arduiono Pro Micro/Leonardo (atMega32u4)
sdy Автор
00.00.0000 00:00Насколько я знаю, у большинства таких ИБП переключение на резерв происходит с кратковременным провалом по выходному напряжению.
HardWrMan
00.00.0000 00:00+1Только "online" UPS не имеют никакой просадки на выходе при переходе на батарею и обратно. Потому что батарея в них работает всегда. У всех остальных просадка есть, большая или маленькая - зависит от времени реакции.
Nazar_Kam
00.00.0000 00:00Здесь речь не об ИБП 220, а о банальном РИП (БИРП) на 12 вольт. Двенадцативольтовые устройства как правило не дают просадок.
А просадки по цепи 220 вольт - нормально. Оборудование должно работать даже при отключении питания на 20 мс. Время переключения ИБП, как правило, меньше 10 мс.
fk0
00.00.0000 00:00У одного купленного мною MeanWell с функцией подключения аккумулятора внутри были замечены только диоды. Я думаю у более дорогих/старших моделей тоже. И есть модели подразумевающие использование аккумулятора в буферном режиме (там нет переключения). Выше же описывалось, что городить такую схему не на полупроводниках -- себе дороже. Nazar_Kam наверное имел ввиду обычные UPS, которые выдают 220в. Там провал не страшен, т.к. все AC/DC блоки питания имеют входной конденсатор.
Может быть, разумней было резервировать не 12 вольт, которые напрямую идут на HDD, а между ИБП и NAS иметь DC/DC способный работать в несколько более широком диапазоне входных напряжений (чтоб несколько миллисекунд пока идёт переключение он мог питаться от конденсатора, разрядившегося на несколько вольт). В этом смысле ноутбучные ~20вольт выглядят здраво. И батарею аккумуляторов сразу на это напряжение собирать. Тогда повышающий преобразователь не нужен. Либо наоборот, организовать моментальное переключение и обойтись одним аккумулятором (тогда снимается проблема балансировки и проще контроль разряда).
sdy Автор
00.00.0000 00:00В разработанном UPS нет просадки по напряжению, хотя и реле используется. По поводу резерва для 12В HDD, то чаще всего на платах с 12В питанием, все диски получают питание уже с "наплатного" преобразователя. Поэтому, диапазон напряжения на входе таких плат как правило довольно широкий, например, сейчас работаем с платой, у которой номинальная напруга 12В, а диапазон 9В..20В.
me21
00.00.0000 00:00+1Писал прошивку для ИБП на базе STM32F103 с возможностью заряда свинцовых либо литиевых аккумуляторов. Управление напряжением заряда с помощью ШИМ, сначала шла зарядка в режиме постоянного тока, потом в режиме постоянного напряжения. И коммуникация с основной платой по SPI - передача режима работы, напряжений, тока.
aumi13
00.00.0000 00:00мне вот вариант 3S больше нравица, 12В с батареи без преобразователей. думаю с насом от 10 до 12,6В по питанию ничего плохого не случица
sdy Автор
00.00.0000 00:00+1Для 3S надо сразу ставить SEPIC на выход и еще питание делать не менее 14В для зарядника. Можно еще перед зарядником повышающий преобразователь добавить. с 12В до 14В для того чтобы можно было заряжать норматльно. В принципе ничего невозможного.
aumi13
00.00.0000 00:00если в режиме буферной емкости, то можно так сильно не заморачиваца, достаточно ограничить ток заряда и балансир. хотя вот в шуруповерте 4S балансира нет.
ну разве что перфекционисты будут страдать из-за неполного использования емкости.
buldo
00.00.0000 00:00А может кто подскажет аналог текущего решения, но уже готовый.
Цель - ups для домашнего 4х дискового синоложди, но чтобы это все дело было на литиевых или литий-титанат аккумах.
boojum
00.00.0000 00:00+1У меня вот такой работает https://aliexpress.ru/item/1005003202950041.html.
Не факт правда, что 4 диска потянет - у меня диск один.
tandzan
00.00.0000 00:00Необычные у Вас диоды BAV99 на схеме. И схема с платой совсем не совпадают.
sdy Автор
00.00.0000 00:00Схема на BAV99, покупаем два корпуса из каждого берем по одному диоду:
Плата сделана на транзисторах BSS138, у которых, как и у всех MOSFET есть интегрированные диоды. Другими словами, можно собрать на дискретных диодах, а можно плату согласования готовую использовать.
Naevus
00.00.0000 00:00А какова финансовая часть проекта? Ну хотя бы приблизительно! Потому что у тех же китайцев есть и готовые модули ups - чтобы оценить необходимость усилий... Не, я конечно могу собрать все описанное и проценить самостоятельно, но я ведь не единственный читатель тут :)
ps А детектор тут не лишний? Нет, понятно что он обеспечивает гистерезис и работу с пограничными напряжениями. Но если принять что внешнее питание имеет два состояния (есть и нет) то достаточно же реле запитать от входного напряжения? (это к вопросу упрощения)
sdy Автор
00.00.0000 00:00+1Без детектора реле бы удерживалось самим резервным питанием. Получалась бы неплохая такая петля: батарея питает NAS и заодно сама себя заряжает. Некий вечный двигатель такой. По цене особо не считал, но с точки зрения затраченного времени, эта штука тянет на rtx3090 как минимум.
Naevus
00.00.0000 00:00Там же диод... А! теперь понял. Спасибо :)
sdy Автор
00.00.0000 00:00+1Ну да, диод зашунтирован контактом реле. Получилось бы, что реле само себя держит. Детектор - это своего рода заплатка, которая нужна только для варианта с реле. Если ставить схему идеального диода с защитой от обратного тока, то что выше в комментах есть, то все будет пучком. Тогда и реле не нужно будет. Я еще сделаю вариант без реле как модули приедут вот эти. U1 на плате уж больно похожа на согласованную пару PNP транзисторов и включение MOSFET нужное.
int0Ah
00.00.0000 00:00+2Забегая вперед сразу отмечу, что можно зарезервировать даже стандартное
ATX питание, но это несколько другая тема, больше относящаяся к
разработке DC/DC преобразователей.Не вижу смысла разрабатывать. "PicoPSU" разной степени брендовости доступны уже лет 15.
sdy Автор
00.00.0000 00:00Честно говоря, многим нравится разрабатывать электронику самим. Даже есть хобби такое - радиолюбительство. Что действительно помогает сэкономить время, так это готовые модули и даже PicoPSU, которые являются для настоящих адептов паяльника и мультиметра своего рода отправной точкой для их дизайнов. Что касается того, чтобы просто вот так взять и применить PicoPSU в дизайне UPS, то думается мне, что не все так просто. К примеру, есть ATX питание и его надо резервировать, как в этом случае подключить подобный модуль? Если просто в параллель, то тут могут быть сложности с допустимостью подачи напряжения на выход основного блока питания. Самое правильное было бы включать резервное питание также как и в случае с резервированием только 12В, но как мы видим, для этого нужны дополнительные компоненты. Другими словами - сложность не в том чтобы найти готовый модуль, а в том как его правильно подключить и согласовать с другими модулями и тем, что было. Мне кажется, все таки это отдельная тема для обсуждения.
int0Ah
00.00.0000 00:00+2Конечно, если бы я не сочувствовал радиолюбителям, я бы сюда, наверное, даже не зашёл :)
Использование PicoPSU подразумевает, что нет смысла в полноценном ATX-БП. Поясню. Есть несколько способов стабилизации пачки напряжений в ATXах. В порядке улучшения: линейные стабилизаторы (применялись только в дешёвых блоках для -5В или -12В), дроссель групповой стабилизации (не совсем настоящий стабилизатор, ну да ладно), магнитный стабилизатор, DC-DC. Так вот, PicoPSU - это и есть пачка DC-DC преобразователей. Если его мощности достаточно, то едва ли будет иметь смысл использовать от ATX-блока что-либо кроме источника 12В. Либо, если у нас крутой ATX-питальник с DC-DC на каждый канал, то нужно просто вынуть из него плату с этими DC-DC (это часто именно отдельная плата) и использовать в качестве PicoPSU.
То есть мы приходим к схеме, где используется простой бесперебойник на 12В (например, из этой статьи), сетевой питальник на 12В (можно на основе АТХ) и PicoPSU на выходе всего этого.HardWrMan
00.00.0000 00:00Учитывая, что в нынешних компах основной потребитель сидит на 12 вольтах (это процессор и видеокарта) то практически все БП мощностью превышающие 750Вт по сути мощный 12в БП + picoPSU.
sdy Автор
00.00.0000 00:00
Вот посмотрел БП с резервированием для 1U железок. Два модуля 12В и 5В (standby), остальное все на плате-бэкплейне собрано.
int0Ah
00.00.0000 00:00Основные потребители в ПК сидят на 12-ти Вольтах уже лет 20, со времён Pentium 4 (раньше было +5). Тем не менее, в дешёвых (а значит массовых) БП выгоднее было делать обратную связь со среднего по больнице между +12 и +5 (соотношение потребления приблизительно угадывали), ставить дроссель групповой стабилизации на все положительные напряжения, дополнительно магнитный усилитель для линии 3.3В и если нужно, мелкие стабы на -12 (для PCI и RS-232) и -5 (для ISA). В последние годы ситуация меняется, но подозреваю, что в массовых офисных ПК всё осталось примерно также.
PS: Я сомневаюсь, что БП мощностью больше 750Вт составляют бОльшую часть производимых ATXов.
Javian
Что произойдет если оставшийся резистор-шунт зарядника оборвется или наоборот пробьется до 0 Ом?
Gutt
Если оборвётся — заряд остановится, ведь заряд через него идёт. А вот при КЗ (или просто падении сопротивления ниже номинального) вырастет ток заряда. Может стать весело, но резисторы редко вдруг начинают проводить лучше.
Didimus
Иногда им помогает в этом пыль
fk0
Или конденсат. А это запросто. Вначале заморозим, потом разморозим, потом оно коротнёт, а потом само хорошенько прожарится: потому, что схемы защиты аккумулятора нет.
Serge78rus
Это актуально для высокоомных цепей. Низкоомный шунт — явно не тот случай.
sdy Автор
Контроллер работает в режиме понижающего преобразователя. На входе у него 12В, на батарее 8.4В, при этом преобразователь удерживает 100мВ на шунте.Если шунт оборвется, то напряжение на VS просто будет выше напряжения на батарее на эти самые 100мВ (в теории). А батарея будет просто в подвешенном состоянии, без зарядки. Насчет того, что шунт вдруг коротнет, то, честно говоря, я в это не очень верю.