隨著世界變得越來(lái)越先進(jìn)，我們對(duì)電力的依賴變得更加嚴(yán)重。停電可以將最復(fù)雜的家庭減少到相當(dāng)原始的家庭，本文描述了為家庭設(shè)計(jì)的不間斷電源，以保持家庭最重要的服務(wù)：Wi-Fi。

那么，在停電期間，如何使用Wi-Fi和其他家用設(shè)備呢？通過(guò)使用汽車電池作為備用電源來(lái)設(shè)計(jì)家用不間斷電源 （UPS）。它連接到降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生穩(wěn)定的12 V / 5 A電源為Wi-Fi路由器供電，以及6.5 V / 1.5 A降壓轉(zhuǎn)換器，為無(wú)繩電話供電。

適用于家庭的不間斷電源 （UPS）

圖1中的電路是出于必要性而設(shè)計(jì)的。隨著2022年初能源危機(jī)的威脅迫在眉睫，世界和平處于刀刃邊緣，它旨在在停電的情況下保持家庭Wi-Fi的活力。雖然這可能被視為第一世界的問(wèn)題，但普通的Wi-Fi路由器需要2分鐘以上的時(shí)間才能重新啟動(dòng)，如果在電話會(huì)議中電源消失，這似乎是永恒的。即使是輕微的下降也會(huì)導(dǎo)致重大問(wèn)題。這種家用不間斷電源設(shè)計(jì)為 Wi-Fi 接入點(diǎn)（和任何其他電子設(shè)備）提供 12 V/5 A 電源，為無(wú)繩電話提供額外的 6.5 V/1.5 A 電源。這足以使大多數(shù)筆記本電腦與外界保持通信。

圖1所示電路。這種設(shè)計(jì)的備用電源是從廢料場(chǎng)以20英鎊的價(jià)格購(gòu)買的預(yù)先喜愛(ài)的汽車電池。LTC?3789 是一款四開關(guān)降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，可采用高于或低于此電壓的輸入，以極高的效率提供恒定的 12 V 電源。其評(píng)估套件在5 V至36 V輸入電壓范圍內(nèi)提供12 V/5 A，因此無(wú)需修改即可使用。由于Wi-Fi路由器只需要1 A，因此該評(píng)估套件可用于為許多其他需要12 V的應(yīng)用供電。

無(wú)繩電話在約600 mA時(shí)需要6.5 V電壓，因此選擇LT8608為該電源軌提供低噪聲、高效率和2.5 μA的極低靜態(tài)電流。LT8608和LTC3789的最大輸入電壓分別為42 V和38 V，因此它們直接連接到汽車電池以獲得最高的電路效率。一些低成本的電池充電器如果不能正確連接到電池，就會(huì)產(chǎn)生高電壓，因此電池不能充分吸收充電電流。因此，如果充電器與電路的連接良好，但與電池的連接不良，則可能會(huì)產(chǎn)生可能損壞電子設(shè)備的電壓。LTC3789 和 LT8608 的寬輸入電壓范圍減輕了對(duì)連接電池充電器時(shí)產(chǎn)生高電壓的擔(dān)憂。該電路可以在電池充電器永久連接或不永久連接的情況下運(yùn)行。但是，在不通風(fēng)的房間中保持電池充電器永久連接的安全方面取決于所用電池和充電器的類型。

電路的巧妙部分由 LTC4416 提供。這是一個(gè)雙理想二極管，負(fù)責(zé)在主電源電壓和備用電源之間切換。LTC4416 包含一個(gè)精準(zhǔn)的比較器，用于檢測(cè)主電源何時(shí)發(fā)生故障，并利用 4 個(gè)外部 P 溝道 MOSFET （PFET） 切換至其后備電源。

圖 1.不間斷電源 （UPS） 原理圖。

該電路的一種更簡(jiǎn)單形式是雙二極管OR配置，其中兩個(gè)二極管的陰極連接在一起，主電源和備用電源連接到陽(yáng)極。然而，該電路僅將兩個(gè)電源中最高的電源饋送到陰極的輸出端，并在二極管上產(chǎn)生0.6 V的損耗?？梢允褂肞FET來(lái)代替二極管來(lái)設(shè)計(jì)更有效的電路。測(cè)量PFET體二極管兩端的壓降，如果超過(guò)一定閾值，則FET導(dǎo)通，從而短路體二極管。如果該壓降為負(fù)，則移除PFET的驅(qū)動(dòng)器，并且體二極管阻斷反向電流;因此，已經(jīng)產(chǎn)生了一個(gè)理想的二極管，它具有低正向壓降并在相反方向上阻塞。如圖 2 所示。

使用本電路時(shí)，每個(gè)PFET的體二極管從輸入點(diǎn)到輸出，因此如果一個(gè)輸入電壓比另一個(gè)高600 mV以上，則該體二極管將導(dǎo)通。因此，如果備用電源恰好高于主電源，則負(fù)載的功率將由備用電源提供，這是不希望的。反轉(zhuǎn)PFET可以解決這個(gè)問(wèn)題，但如果輸出電壓比輸入電壓高出600 mV以上，則體二極管會(huì)導(dǎo)通。

更簡(jiǎn)潔的解決方案是向每個(gè)路徑添加一個(gè)額外的 PFET，如圖 3 所示。在本電路中，兩個(gè)體二極管彼此相對(duì)，因此當(dāng)FET關(guān)閉時(shí)，該電路提供雙向開路，并隔離每個(gè)通道，而不管輸入或輸出電壓如何。

圖 2.二極管OR電路的理想二極管實(shí)現(xiàn)。

圖 3.具有雙向斷開功能的二極管 OR 電路。

對(duì)于12 V電路，對(duì)LTC4416 （DC1059A）的評(píng)估套件進(jìn)行了修改，以提供11.17 V的開關(guān)電壓，對(duì)R3使用100 kΩ電阻，對(duì)R1使用10 kΩ + 2.2 kΩ電阻。這效果很好，但發(fā)現(xiàn)Wi-Fi接入點(diǎn)需要精確的12 V電源，有時(shí)當(dāng)主12 V再次打開時(shí)，它會(huì)重新啟動(dòng)。這是由于電壓階躍（從11.17 V到12 V）擾亂了路由器電子設(shè)備。將R1更改為11.47 kΩ時(shí)，開關(guān)電壓增加到11.8 V，從而減小了步長(zhǎng)。

無(wú)繩電話電路更同情電源步驟，因此R15由22 kΩ + 10 kΩ電阻組成，開關(guān)電壓為5 V。

波形如圖4所示。綠色走線顯示LTC4416的始終開啟12 V輸出，紅色跡線顯示墻上立方體的12 V輸出，藍(lán)色走線顯示汽車電池電壓。當(dāng)示波器是直流耦合時(shí)，看不到對(duì)綠色跡線的干擾。當(dāng)連接電源 12 V（600 ms 時(shí)）和斷開（5.8 s 時(shí)）時(shí)，更改為交流耦合時(shí)幾乎沒(méi)有干擾。具有諷刺意味的是，當(dāng)連接電源12 V時(shí)，該電源軌上的噪聲明顯更高，這表明來(lái)自墻壁立方體輸出的噪聲高于LTC3789的噪聲。

圖 4.當(dāng)電源（紅色跡線）斷開時(shí)，12 V（綠色跡線）幾乎不會(huì)受到干擾。

UPS電子設(shè)備的照片如圖5所示，完整電路如圖6所示。

圖 5.電源和理想二極管安裝在UPS盒的側(cè)面。

圖 6.帶電池的完整電路。

未來(lái)修改

前面提到的電路要求切割墻壁立方體的電纜，以允許串聯(lián)插入U(xiǎn)PS。一個(gè)更整潔的解決方案是從汽車電池中產(chǎn)生340 V DC并將其饋送到擴(kuò)展插座中，然后將墻壁立方體插入擴(kuò)展插座。由于所有壁立方體內(nèi)部的電路都包含一個(gè)整流器，因此該電壓是交流還是直流并不重要。然而，從12 V電池產(chǎn)生340 V電壓所產(chǎn)生的損失以及降低壁立方體內(nèi)部電壓所產(chǎn)生的損失意味著低壓電路將更加高效和簡(jiǎn)單，即使它確實(shí)意味著切割壁立方體電纜。

LTC4416 評(píng)估套件包括 LED，用于指示是使用主電源還是備用電源，并且這些 LED 可以很容易地帶到外殼外部。另一個(gè)有用的補(bǔ)充是一個(gè)按鈕開關(guān)，用于人為地將 LTC4416 的使能引腳拉至低電平，以測(cè)試切換功能。

該電路經(jīng)過(guò)了廣泛的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)具有出色的性能。對(duì)于更高的電流，可以使用N溝道理想二極管。LTC?4416 是 ADI 公司提供的多種理想二極管和熱插拔器件的一部分。

結(jié)論

本文中描述的電路說(shuō)明了一個(gè)簡(jiǎn)單的家用不間斷電源的設(shè)計(jì)，該電源可以構(gòu)建為在發(fā)生電源故障時(shí)保持各種家用電器的運(yùn)行狀態(tài)。沒(méi)有理由不能對(duì)該電路進(jìn)行修改，以使用更強(qiáng)大的MOSFET和更大的電池來(lái)增加輸出功率和更長(zhǎng)的備用壽命。

審核編輯：郭婷