DIY樹莓派UPS -一個不間斷的電源供應(yīng)，以保持您的Pi在停電期間的安全

樹莓派是一種小型或微型計算機，可用于不同類型的小型到大型嵌入式，物聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。由于這是一臺可以運行不同操作系統(tǒng)的計算機，因此關(guān)閉這臺小型計算機是一件重要的事情，可以確保保存所有內(nèi)容，操作系統(tǒng)正確結(jié)束所有必需的任務(wù)，并且可以安全關(guān)閉設(shè)備。不確定的電源故障可能會損壞Pi，操作系統(tǒng)也可能崩潰。以前我們已經(jīng)構(gòu)建了許多樹莓派項目，其中大多數(shù)需要24x7工作，所以這個項目可以像樹莓派UPS帽子一樣，可以用來在電源故障時保持我們的樹莓派。

為了在不確定的電源下降或意外關(guān)機時保存Pi，可以構(gòu)造一個UPS，與我們家庭或辦公室中使用的UPS備份相同。在這個項目中，我們將制作RPI UPS電源，它可以提供足夠的時間來保存RPI中的代碼，也可以作為一個單獨的電源單元用于備份。我們已經(jīng)在PCB上建立了這個項目，并使用PCBWay為這個項目制造電路板。在本文的以下部分中，我們詳細介紹了為PCBWay的樹莓派UPS帽設(shè)計、訂購和組裝PCB板的完整過程，以便您也可以輕松地自己構(gòu)建一個。讓我們開始吧。

樹莓派UPS的規(guī)格

我們的緊湊型RPI UPS備份的規(guī)格如下：

1.由廣受歡迎的18650鋰離子電池供電。

2.可提供高達1.5A(連續(xù))和2.5A(峰值)的電流輸出。

3.電池充電功能來自USB連接線，可使用任何5V標(biāo)準(zhǔn)手機充電器。

4.過充，自動切斷，深度放電保護功能。

5.簡易USB Type-A輸出連接器。

6.緊湊的設(shè)置，可以很容易地適應(yīng)在一個機箱。

7.效率約85%以上。

由于這個設(shè)計是在考慮到樹莓派可以在滿負荷工作的情況下完成的，所以了解樹莓派的電流是很重要的。由于RPI有多種可用的變體，每種變體的總電流消耗可以在下面的圖表中看到：

因此，擁有1.5A的凈空是運行RPI的連續(xù)方法。但是，根據(jù)數(shù)據(jù)表，峰值電流可能是2.5A。重要的是在PSU器件中具有高達3A的供電能力，保持1.5A的連續(xù)電流能力。

組件用于設(shè)計我們的定制不間斷電源(UPS)

1.鋰電池18650 1200mAH

2.TP4056 -電池充電/保護模塊(Micro USB)

3.10uF 10V電容

4.100 k電阻

5.620R電阻1%

6.10nF 16V電容

7.2.2uH桶電感，至少6A的能力

8.0.1uF電容16V

9.SR360二極管

10.100pF 10V電容

11.22uF 10V電容

12.2k電阻，1%公差

13.6.1k電阻，1%公差

14.USB A接口

15.18650電池座

樹莓派UPS電路圖

在原理圖中，我們可以觀察到多個電阻和電容，每個電阻和電容在模塊的正常運行中發(fā)揮著特定的作用。C2(1uF)為軟啟動電容。當(dāng)輸出端連接高容性負載時，它用于補償浪涌電流。由于這個電容，開關(guān)驅(qū)動器將慢慢打開開關(guān)元件，這是電感L1 (2.2uH)。L1將被接通和關(guān)斷，在此期間，它將向輸出肖特基二極管SR360提供功率。SR360是一個3A 60V肖特基整流二極管，轉(zhuǎn)換從電感L1的高頻輸出，也防止任何反向電流到電路。

電阻R3(6.1K歐姆)和R4(2K歐姆)是兩個反饋電阻，在開關(guān)穩(wěn)壓器上提供必要的反饋。分割電壓或反饋電壓將始終為1.245橫跨穩(wěn)壓器的FB引腳。因此，它將電壓增加到5V，由于這個2k和6.1k的電阻，反饋電壓將達到1.245V。C3用來平滑反饋線。

620R和10nF， R1和C1是變流器穩(wěn)定運行所必需的。

C4和C5是輸入和輸出的濾波電容。

RPI UPS原理圖及工作原理

讓我們看一下樹莓派電池備用模塊中使用的IC的原理圖和引腳圖。PI UPS模塊是一個簡單的電路，很容易理解。為了便于理解，我將該模塊分為兩個部分或階段：

1.電池充電電路

2.開關(guān)升壓調(diào)節(jié)器。

電池充電器：

為了簡單和不提供額外的努力，我們選擇了一個優(yōu)秀的電池充電器模塊TP4056。它是一款電池充電器，具有所有保護模塊，能夠以1A充電鋰離子電池。此外，它還有一個微型usb接口。因此，很容易將該模塊焊接到PCB上，并獲得具有所有類型充電保護的USB充電功能，而無需增加選擇組件，設(shè)計電路，然后采購組件并最終將其焊接到電路板上的任何額外努力。在大多數(shù)情況下，標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池充電IC的成本超過了該模塊的整個成本。因此，這個模塊可以作為一種低成本的替代方案。該模塊還具有LED指示燈的附加功能，它通過兩個單獨的LED為我們提供鋰離子電池的充電狀態(tài)。

開關(guān)升壓調(diào)節(jié)器：

鋰電池在不充電和充滿電的情況下提供3.2V至4.2V輸出。通常，在最佳充電條件下，電池電壓保持在3.7V-4.1V。因此，我們需要某種可以在輸出端提供5.0V的開關(guān)穩(wěn)壓器。同時，我們還需要選擇電流范圍為3A的開關(guān)穩(wěn)壓器。在這里，我們選擇了開關(guān)穩(wěn)壓器MIC2253，這是一個3.5A開關(guān)穩(wěn)壓器，使用1MHz PWM產(chǎn)生輸出電壓。由于開關(guān)頻率為1MHz，這為使用更小的電感器提供了可能性，從而可以在很小的尺寸上提供高功率。為了補償電池電壓，它具有2.5V至10V的輸入電壓范圍，這是我們設(shè)計要求的理想電壓。

了解MIC2253的引腳描述：

在使用任何IC之前，我們應(yīng)該了解它的引腳描述，以便更好地了解IC及其功能。

→請檢查該芯片是否有AGND和PGND。兩者在原理圖上是相同的，因為兩個引腳都是接地的。但是，當(dāng)涉及到PCB設(shè)計和原型設(shè)計階段時，這是一件非常重要的事情，并且完全不同。我們將在稍后的PCB部分討論這一點。

我們樹莓派UPS的PCB設(shè)計

接下來是這個項目的復(fù)雜部分。為什么?讓我們來看一下：

1.熱補償- 3A輸出在5V相當(dāng)于15W的痕跡憤怒

2.甚高頻- 1兆赫

3.MIC2253的內(nèi)部構(gòu)造

讓我們看看如何處理這個問題。但在繼續(xù)之前，如果你不夠小心，電路就會失效。因此，我建議您使用我們網(wǎng)站電路文摘上提供的PCB。

該芯片的PCB設(shè)計不當(dāng)可能會導(dǎo)致以下問題：

?由于熱保護觸發(fā)導(dǎo)致的意外停機

?在輸出端產(chǎn)生高尖峰

?由于不確定的地噪聲而產(chǎn)生非常高的紋波

?高位反彈可能會影響零售價格指數(shù)。

1. 熱補償- 3A輸出在5V相當(dāng)于15W的痕跡憤怒：

首先，總是在需要PCB散熱器的雙層中制作高功率板。

使用的地平面是總耗散面積，從芯片將發(fā)生熱傳導(dǎo)。

我們來計算表面積

根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)，該板為：87mm × 38mm = 3306平方毫米。

現(xiàn)在，100%填充的銅表面積將相當(dāng)于3306 x 2 = 6612平方毫米。

我的設(shè)計表明，在多面體層上的總地面傾水量相當(dāng)于69.73%。假設(shè)是70%

因此，我在二維視圖上的散熱器生成將是：6612 x 70% = 4628平方毫米

現(xiàn)在，因為它是銅，它有一個物理厚度。銅的厚度有30um和70um兩種。70萬美元更貴。因此，在3D形式下，我的銅表面將是4628 + (4628 x 0.035) = 4789，對于35um和70um，它將大約是5000平方毫米。

這是一個非常糟糕和粗略的計算，因為熱傳導(dǎo)不會在所有地方都是均勻的，這取決于操作和環(huán)境溫度，大氣壓力等等。但我們還是不要深究這部分。如果我們大致假設(shè)5000平方毫米的50%在做它的工作，那么2500平方毫米將是我們MIC2253的設(shè)備散熱器，這已經(jīng)足夠了。

現(xiàn)在走線按照IPC的最低標(biāo)準(zhǔn)做得更厚，以彌補這一點：

2. 甚高頻- 1兆赫：

Mhz范圍是射頻設(shè)計的第一階段。在這個階段，很難將走線與雜散電容隔離開來，并創(chuàng)建一個迷你版的RLC電路，因為走線是由銅制成的，它具有電阻和電感，兩個走線之間的玻璃板是電容的。

避免FB走線靠近電感器或低于電感器。

在MIC2253的進料處提供FB引腳的地釘。

3. MIC2253的內(nèi)部構(gòu)造：

MIC2253的結(jié)構(gòu)使用嘈雜和復(fù)雜的模擬電路以及大功率通流晶體管。現(xiàn)在，由于電流為3.5A，在啟動過程中，巨大的負載會使電壓略有下降，這導(dǎo)致感應(yīng)比較器出現(xiàn)問題。

查看內(nèi)部結(jié)構(gòu)，顯示兩個獨立的基礎(chǔ)，但它們是共同的基礎(chǔ)：

藍色的是模擬地，由所有模擬電路使用，而紅色的是所有負載電路使用的電源地，負載電流Li將通過通晶體管。區(qū)分這兩者是必要的。

紅色的是電源地，而藍色的是模擬地，它與實際地平面完全分離。它甚至在底部也沒有連接：

R4和C1僅通過單獨的頂部接地路徑連接，甚至不在底部接地多邊形平面中。

使用PCBWay制造樹莓派UPS。

現(xiàn)在我們了解了原理圖是如何工作的，我們可以繼續(xù)為我們的項目構(gòu)建PCB。點擊鏈接查看我們之前構(gòu)建的所有PCB項目，您還可以在下文中找到NodeMCU GPS Tracker PCB設(shè)計文件和GERBER文件。

現(xiàn)在我們的設(shè)計已經(jīng)準(zhǔn)備好了，是時候使用Gerber文件來制作它們了。從PCBWay獲得PCB很容易;只需遵循下面給出的步驟。

第一步：登錄，如果是第一次，就注冊。然后，在PCB Prototype選項卡中，輸入PCB的尺寸、層數(shù)和所需PCB的數(shù)量。

第二步：點擊“現(xiàn)在報價”按鈕。如果需要，你會被帶到一個頁面，在那里設(shè)置一些額外的參數(shù)，比如使用的材料軌道間距等，但通常，默認(rèn)值工作得很好。

步驟3：最后一步是上傳Gerber文件并繼續(xù)付款。為了確保付款過程順利進行，PCBWAY會在付款前驗證您的Gerber文件是否有效。這樣，您可以確保您的PCB是制造友好的，并將達到您的承諾。

組裝樹莓派UPS板

幾天后，我們從PCBWay收到了整齊包裝的PCB，正如你在下面看到的，PCB質(zhì)量一如既往地好。頂層和底層無縫完成，適當(dāng)?shù)暮炞C和軌道間距。

在確定軌道和足跡是正確的之后，我開始組裝PCB。完全焊接板看起來像下圖所示。

樹莓派UPS板-測試和工作

電路板準(zhǔn)備好后，我就開始測試。我用一個微型usb適配器給它供電，并用萬用表檢查升壓轉(zhuǎn)換器一側(cè)的輸出。

正如我們可以使用萬用表觀察到的，3.7V鋰離子電池的輸出升壓電壓為5V，這足以為樹莓派模塊供電。我們已經(jīng)準(zhǔn)備好了5V輸出，現(xiàn)在是時候插入Rpi模塊了。

可以清楚地看到，Rpi模塊從3.7V鋰離子電池中獲得5V升壓電源。紅色LED也可以被觀察到發(fā)光，因為電池目前正在充電，同時為Rpi提供電源。一旦電池充滿電，我們將觀察到藍色LED，然后我們準(zhǔn)備將直流適配器移到TP4056。

本文編譯自circuitdigest