ИБП с входом +12В/2s18650 и с выходом 12В/25Вт на LTC4412 полумодульной конструкции

Мне понадобилось сделать низковольтный источник бесперебойного питания для своего домашнего сервера умного дома — кубика размером с пол-ладони «Mini PC M1T», питающегося от 12В и потребляющего ток до 1.75А. Я полагал, моя задача решится покупкой готового модуля, но все, что удалось найти на Али — разочаровывает обманно малой выходной мощностью. Покупать готовые ИБП оказалось неоправданно дорого для моего случая. Пришлось развести плату под специализированную микросхему LTC4412, применив уже готовые DC-DC и зарядный модуль.

Периодически, довольно неожиданно, в моей квартире отключают электричество и мой сервер умного дома «Mini PC M1T» приходится запускать вручную, т.к. в BIOS нет функции автозапуска. Да, можно сделать схему автозапуска на дискретных компонентах вокруг кнопки питания компьютера, но ИБП в данном случае будет правильнее, т.к. на сервере много чего должно работать и логгироваться даже при отсутствии электричества в доме.

Судя по моим тестам «Mini PC M1T» потребляет в пике 1.75А от источника напряжением 12В (несмотря на type C коннектор, протокол PD и аналогичные здесь отсутствуют).

Значит нам нужна плата ИБП мощностью не менее 20Вт с выходом 12В.

Кандидат №1

Судя по обзору, плата не держит требуемые 22Вт (2Вт небольшой запас) — выходное напряжение проседает до 11,6В. На таком напряжении мой сервер перезагружается. 

Кандидат №2

Есть обзор на данном сайте за авторством уважаемого vlo, из которого следует, что уже при 15Вт тепловой режим выходного преобразователя критический. Это не приемлемо. 

Если посмотреть структурную схему данного модуля, виден существенный недостаток — качество переключения мосфетов зависит от уровня напряжения батареи и, как следствие, транзисторы будут греться при сильно разряженной батарее, впустую расходуя электричество на нагрев.

Путь решения

Существуют специализированные микросхемы, выполняющие функцию переключения между источниками питания, лишенные недостатков схемы на дискретных компонентах. Одна из которых LTC4412 (разработки Analog Devices).

Отлично подходит для моей задачи. Из достоинств — выдающиеся характеристики переключения.

На момент написания обзора данные микросхемы на Али вполне приемлемы по стоимости. Полгода назад я покупал 5 шт за 712 руб с доставкой.

Мне нужно выходное напряжение 12В, учитывая, что питать буду от Li-ion ячеек 18650, минимальным напряжением 3В (не будем разряжать до 2.75В) и максимальным 4.2В, оптимально будет использовать 2s соединение, тогда худший токовый режим будет 2*3В=6В, 20Вт/6В=3.5А. Данный ток для моих аккумуляторов равен 1C. При этом в соединении 2s напряжение 4.2В*2=8.4В — не привысит 12В, что позволит применить повышающий dc-dc преобразователь.

Однако, возникает насущный вопрос, чем можно нормально зарядить 2s? Наша задача — как можно меньше преобразовывать питающее напряжение для получения выходного и зарядного для 2s Li-Ion.

Исходить будем из выходного напряжения в 12В. Нам его нужно получить из, разумеется, входного, 12В, которое должно зарядить посредством преобразователя 2s Li-Ion и из которых мы должны получить 12В выходного посредством DC-DC.

На роль зарядного преобразователя подходит преобразователь на базе IP2365.

У него нет балансира, поэтому предусмотрим активный балансир для 2s сборки. Потребляет он ничтожно мало в следящем режиме, поэтому его можно оставлять подключенным на постоянной основе.

А еще надо предусмотреть защиту от пере-заряда/разряда нашей сборки. Поэтому нужна BMS. Да, они есть уже с пассивными балансирами, которые по эффективности не идут ни в какое сравнение с вышепредложенным. Поэтому выбираем BMS без балансира.

На роль выходного стабилизатора отлично подойдет повышающий DC-DC на базе TPS61088.

Набросаем схему.

К которой я пришел, реализовав вот такой вариант, который просился на переделку ввиду неэффективности преобразования электрической энергии.

Теперь разведем плату.

И соберем все это дело воедино. Модули приклеены двухсторонним скотчем на плату в местах модулей, где не предвидится нагрев.

И тут начинаются проблемы откуда не ждали.

Проблемы

Я все собрал, схема работает, но выходное напряжение, что при работе от батареи, что от сетевого — меньше на 0.45В на мощности в 21Вт (тестировал электронной нагрузкой). Виноваты поддельные транзисторы AO4413.

Кто же знал, что он будет открываться в таком предательском состоянии!

Пришлось заказывать с нашем Чип-Дипе хорошие полевики IRF9310TRPBF

Заодно на пробу взял AO4409, чтобы убедиться, что продукты Alfa&Omega встречаются не поддельные!

Транзисторы я впаял на место ключей и вместо падения напряжения на Сток-Исток 0.45В стало 0.015В.

Проблема 2 

На BMS при токе 3А падает 0.29В. Т.е. на аккумуляторах, допустим 8В, а на выводах P+ P- 7.71В. Тоже виноват полевой транзистор, замена которому нашлась в виде донора из видеокарты. Причем вместо корпуса SO8, я поставил LFPAK.

После замены падение напряжение пришло в норму в 0.09В (как по мне все равно много — видимо переходных отверстий пожадничали китайцы в этой BMS).

Корпус

Чтобы изделие приобрело законченный вид, его нужно облачить в корпус.

Без претензий на особые изыски — но с полной реализацией функциональности.

Сборка в корпус

Собирать в корпус оказалось легко и просто.

Вместо заключения

От двух аккумуляторов 18650 емкостью 3300мАч каждый, мой домашний мини-сервер наделяется автономностью в 2,5-3ч, что меня полностью устраивает. Долговременная нагрузка ИБП в режиме от батареи показала длительную выходную мощность в 25Вт. Данная конструкция позволяет добавить еще пару или даже 4 аккумулятора, сделав из 2s 2s2p и соответственно увеличив емкость. Плата преобразователя IP2365 позволяет резисторами задавать зарядный ток.