准备制作直流UPS

Posted on January 28, 2024

问题

现在很多需要停电维持工作的东西,其实都是直流供电的。比如监控。比如树莓派,比如路由器,比如光猫。

在万能的宝上搜索直流UPS,是能找到一些现成的产品。

但是,统统不是我设想中的那种工作方式。

我设想中的UPS,既不是后备式,也不是在线式。

后备式UPS,在市电正常的情况下,电池处于充电状态。当检测到市电故障,则立即将输出切换到电池。
在线式UPS,电池一直处于边冲边放状态。负载一直都是由电池供电。

后备式UPS,有切换延时问题。在线式UPS,能量过了好几道,效率太差。

我设想中的UPS,应该是这样子的

负载和电池直接并联。电池不仅供电,还能负责稳压。
充电器为负载供电的同时为电池充电。
充电器的功率只要略大于负载的平均功率。负载短时的功率需求由电池提供(所谓稳压)
电池尽量以恒流方式充电。也就让充电器的输出电流恰好等于电池的充电电流+负载的消纳电量

这看起来不还是在线式UPS吗?但是在线式UPS是输出电池逆变后的交流电。而直接和电池并联的在线式ups,并不需要逆变。省掉了逆变这一过程。

那万能的宝上卖的路由器UPS不是这样的吗?

看起来是,但是并不是。他们使用的还是在线式UPS架构,不过把逆变220v交流电的模块换成了从电池升压输出12v的模块。能量还是要经过 12v适配器->(ups充电器->电池->ups升压电路)->负载 这么一个过程。能量损失巨大。而且电池实际上充电的速度,取决于负载的消耗能力。负载消耗的大了,电池充电的就慢了。也就是没有做到让电池恒流充电。

另外也有使用后备式架构的直流UPS。他们使用2个12v适配器,一个为电池供电,一个为负载供电。市电故障的时候,立即切换到12v电池直接供电。这个能做到恒流充电了,但是需要制作2个12v开关电源了。成本上升。

而且,统统有一个问题:没有48v版。

为啥需要48v呢?因为 POE。家里需要UPS的设备,全部都是从 POE 交换机取电的。路由器,用 poe 供电。光猫,用 poe 供电。 AP,更是直接接到 POE 上。监控摄像头,也是 POE 供电。

整个供电的重任,就交到了POE交换机的手上。

而 POE 交换机,就是以 48v 蓄电池供电为基础设计的。 POE 的供电电压,54v,就是48v蓄电池的浮充电压。

解决办法

我当然不满足于只是制作一个48v的直流ups填补一下空白。

于是我想到了一个万能直流UPS,这个万能直流UPS是这样的

1. 有2个端口。一个为充放电口,一个为电池接头
2. 使用的时候,连线如下 ``` 开关电源 ====== 用电器
     ||
    万能UPS == 电池 ```

3. 万能UPS的充放电口,直接并联在开关电源和用电器的直流母线上。万能UPS的唯一功能,是对流入电池的电流进行限流。也就是进行恒流充电。
4. 如果充电器无输出,则电池可以直接从万能UPS直通用电器。
5. 开关电源的输出电压,应该为电池的满电电压

也就是万能UPS,正向工作为Buck 降压恒流模式,反向为直通模式。而且只需要恒流,不需要知道电池的电压。只要适配器的输出电压为电池的满电电压即可。

实际上,一个简单的带恒流功能的 DCDC 降压模块,就能完成这个万能UPS的工作。除了。。。。一个小问题。

难倒了

为了减少损害,反向工作的时候,不能依赖开关管的寄生二极管实现自动反向,而应该让 mos 管直接持续导通。 而且为了实现电池接近满电后,buck电路的输入电压=输出电压,也需要让 buck 电路的pwm占空比达到 100%。

而 buck 的mos管,乃是一个“高侧”的 nmos 管。 让高侧的 NMOS 管 100% 占空比导通,并不是一件容易的事情。

诶,找了许久也没找到合适的 dcdc芯片。

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