Пара невеликих низьковольтних UPS на 9/12 і 5 В

Іноді трапляються ситуації, коли потрібно безперебійно живити якийсь невеликий пристрій, наприклад роутер. Використовувати для цього звичайний "безперебійник" і дорого, і водночас невигідно, тому застосовують низьковольтні UPS. Про пару таких сьогодні й поговоримо.



У мене колись дуже давно, приблизно років 5 тому, був огляд, де я показував, як переробити звичайний імпульсний блок живлення на безперебійник, але там ішлося про роботу зі свинцево-кислотним акумулятором на 12 В. Тут же мало того, що в обох випадках використано літієвий акумулятор, так ще й напругою 3.7 В.

Замовив кілька плат — частково просто про запас, частково через платну доставку посереднику. Продавець запакував їх так, що, мабуть, сама упаковка важила більше за всі плати. Власне, на фото видно співвідношення розмірів упаковки та плат.
На конвертиках досить оригінальні написи: 12 Вт і 5 В, хоча формально і те, й інше правда, просто в різних одиницях :)


Платки справді дуже компактні: ліворуч зв'язка з трьох плат, праворуч — із двох.


Ті самі плати, але вже поштучно.


Почну з 12-вольтового безперебійника.
Він існує в кількох варіантах, причому обидва підтримують вибір вихідної напруги 9/12 В, але один видає до 12 Вт, а другий — до 18.
Заявлена вхідна напруга — 5–12 В, максимум 16 В, але тут є нюанс: якщо напруга падає нижче певного рівня, зарядний пристрій продовжує працювати, але живлення вже надходить від акумулятора.
Напруга акумулятора — 3.7 В, ємність — 3–15 А·год, хоча насправді акумулятор більшої ємності просто заряджатиметься довше.

На жаль, версії на 18 Вт не продавалися поштучно, а велика кількість мені була не потрібна, тож довелося обмежитися варіантом на 12 Вт.
Ціна при замовленні поштучно становила $1.88, посилання на сторінку товару.


Ще трохи різних характеристик для плат обох версій.


Зовні все дуже акуратно, усі підключення виконуються лише паянням, клемників немає. Загальна якість складання порадувала, особливо за таку ціну.


Структурна схема, за якою можна приблизно зрозуміти принцип роботи.
За заряджання відповідає чип SY6952, який, по суті, є знижувальним перетворювачем із контролем заряджання.
Акумулятор підключений через контролер захисту від перевантаження за струмом і перезаряджання/надмірного розряджання XB8089.
Після нього встановлено підвищувальний перетворювач на базі XR2681.
Також є ще один невеликий чип Ph/A4, імовірно, монітор напруги, оскільки один вивід чипа підключений до входу живлення, а інший — до виходу (найімовірніше, до входу зворотного зв'язку підвищувального перетворювача).
З недоліків одразу зазначу не надто ефективний підвищувальний перетворювач, та ще й із зовнішнім діодом.



Монтаж односторонній, нижній бік плати використовується як тепловідвід, частину силових доріжок додатково покрито припоєм.


Підключення максимально просте: вхід — до блока живлення, вихід — до навантаження, і два дроти — до акумулятора.
Також є пара контактних майданчиків, які задають струм заряджання та вихідну напругу. За замовчуванням це 600 мА і 9 В, але струм заряджання можна встановити на 1.2 А, а вихідну напругу — на 12 В.
Єдине зауваження — до світлодіода індикації режиму роботи: за задумом він двоколірний, але зі спільним анодом, хоча поширеніші збірки зі спільним катодом.
Також є запобіжник на струм 1.1 А, який захищає блок живлення від перевантаження. Вбудований зарядний пристрій підключений до запобіжника.


Пояснення китайською мовою, але ця картинка може бути корисною з іншої причини: на ній наведені розміри плати.



Для початку я взяв якийсь старий акумулятор від планшета, а двоколірний світлодіод довелося замінити двома одноколірними.


Під час заряджання світиться червоний світлодіод, після завершення — зелений.
Важливо, що після завершення заряджання контролер повністю вимикає заряджання, а не залишає акумулятор під "крапельним заряджанням". Річ у тім, що зазвичай джерела безперебійного живлення, які працюють зі свинцево-кислотними акумуляторами, постійно підживлюють акумулятор, фактично реалізуючи режим CV. Але для літієвих акумуляторів такий режим не підходить — і з міркувань безпеки, і тому, що літієві акумулятори мають низький саморозряд, тож їм це просто не потрібно.


Під час тесту під навантаженням за вихідної напруги 9 В плата видала струм 1.6 А, після чого вимкнулася через спрацювання захисту.


За напруги 12 В максимальний струм становив 1.2 А. Причому і за 9, і за 12 В напруга стабілізується чудово й майже не залежить від струму навантаження, а відсікання відбувається через спрацювання контролера захисту.


Трохи поміркувавши, вирішив, що акумулятор від планшета просто не витримує таких режимів розряджання, тож узяв потужніший акумулятор.


Тепер можна провести додаткові тести. На цьому етапі тести проводилися без навантаження.
1. Вхідна напруга 6 В, струм заряджання на вході — 383 мА
2. Вхідна напруга 12 В, струм на вході впав до 190 мА. Це зумовлено тим, що зарядний пристрій імпульсний, а не лінійний.
3. Запаяв перемичку, яка встановлює струм заряджання 1.2 А. За вхідної напруги 6 В струм заряджання становить 800 мА
4. За 12 В струм становить майже 390 мА
5, 6. Ближче до завершення заряджання струм на вході зріс до 1 А за 6 В і майже 500 мА за 12 В.

Усі ці режими слід враховувати під час вибору блока живлення, адже йому доведеться не лише живити навантаження, а й заряджати акумулятор. Якщо використовується блок живлення на 12 В, до струму навантаження потрібно додати ще 300–600 мА.



Наступний етап — перевірка порогів перемикання. У цьому випадку мультиметр, підключений до виходу плати, працював у режимі реєстратора, навантаження становило близько 200 мА

Напруга на вході плати плавно знижувалася з 13.7 В до 5–6 В, а потім плавно підвищувалася до початкового значення.
Перемикання відбувається за напруги на вході близько 10.2 Вольта, напруга на виході знову піднімається до 12 Вольт.
Зазначу, що якщо вхідна напруга вища за встановлені 12 Вольт, то через спрощену схемотехніку на виході буде така сама напруга мінус падіння на діоді.


З акумулятором, розрахованим на вищий струм розряджання, плата змогла віддати вже близько 1.8 Ампера, далі напруга почала поступово падати.


За 12 Вольт струм становив 1.3 Ампера, далі напруга також плавно падала, вихідна потужність становила близько 16 Ватт.


Після цього я майже повністю розрядив акумулятор і провів тест ще раз. Максимальний вихідний струм, за якого напруга стабілізувалася, становив 1.1 Ампера. Думаю, це нормально, особливо з огляду на те, що заявлений струм — до 1 Ампера.


Під час розряджання струмом 1 Ампер температура перетворювача становила 75-80 градусів, але ближче до кінця він нагрівся до 92 градусів.


Усе було добре, поки я не дійшов до захисту від надмірного розряджання. Річ у тім, що він вимикається не в тригерному режимі, а намагається перезапуститися. У результаті це виглядає приблизно так


Через деякий час перетворювач вимикається, і далі ми отримуємо просто напругу акумулятора через діод перетворювача. Власне, це другий мінус такої схемотехніки перетворювача: StepUp не може повністю знеструмити навантаження.


На графіку напруги акумулятора видно, що поки працює перетворювач, напруга падає. Після вимкнення струм навантаження зменшується (оскільки перетворювач вимкнувся), і напруга починає поступово зростати.


З пульсаціями все гаразд: за 0.5 Ампера — 45мВ, за 1 Ампер — близько 75.
Також немає проблем із просіданням напруги під час запуску перетворювача: на двох нижніх осцилограмах видно невелике просідання — і, власне, все.



А тепер друга плата.
Це простіша й трохи компактніша модель, розрахована на вихідну напругу 5 Вольт (здається, є версія на 6 Вольт), струм до 2 Ампер, коштує $1.17, посилання на товар.



Характеристик багато, і знову все китайською :(


Тут схемотехніка помітно відрізняється: праворуч — контролер усього: перетворення, захисту та індикації. Маркування стерте, а сам чип зафарбований маркером.
Ліворуч унизу — пара транзисторів захисту акумулятора, а праворуч — чотири світлодіоди індикації заряду акумулятора.


Нижній бік плати порожній. Є лише маркування контактів і характеристики.


Розміри плати. Тут же зазначено, що єдина перемичка відповідає за струм заряджання: без перемички — 0.6 Ампера, з перемичкою — 1.6 Ампера.


Підключити плату дуже просто: фактично її просто вмикають паралельно до лінії живлення пристрою. Її завдання — поки є живлення, заряджати акумулятор, а коли живлення зникає або падає нижче певного рівня — «підхоплювати» його.


Зарядний пристрій, як і в попередньої плати, — це StepDown, тому споживаний платою струм залежить від напруги: що вона вища, то менший струм. Після завершення заряджання споживання падає до 2-3мА, тобто лише живлення світлодіодів.




Індикація заряду акумулятора працює і без зовнішнього живлення, але вмикається лише за наявності навантаження на виході плати.


А от перехід на живлення від акумулятора засмутив: у момент перемикання напруга на виході плати падає до 4.36 Вольта, тому чутливе навантаження напевно перезавантажиться, адже нормою вважається падіння не нижче 4.75 Вольта.
Тут я плавно знижував напругу з 5.1 вольта приблизно до 2-3, а потім так само плавно підвищував.


За повністю зарядженого акумулятора плата може видавати до 2.8 Ампера за заявлених 2.0, що дуже навіть непогано.


Заради експерименту я повністю розрядив заряджений акумулятор, але скриншот тут не для демонстрації процесу розряджання, а щоб показати періодичне невелике (20-30мВ) падіння напруги на виході. Інтервали часу майже однакові й становлять одну хвилину; у міру розряджання інтервал зменшується.


Наприкінці розряджання напруга плавно знижується приблизно до 4.6 вольта, після чого захист вимикає акумулятор.


На жаль, процес вимкнення наприкінці розряджання також виглядає дуже грубо: плата постійно намагається перезапуститися, що може негативно позначитися на навантаженні.


Наприкінці розряджання струмом 2 Ампера температура найгарячішого компонента на платі становила 78 градусів.


Після повного розряджання я трохи зарядив акумулятор і провів повторний тест під навантаженням. Максимальний струм навантаження, за якого вихідна напруга була в нормі, становив 2.2 Ампера.


Пульсації на виході виглядають дещо дивно: низькочастотні модульовані високочастотними, загальний розмах за струму навантаження 1 і 2 Ампера приблизно однаковий і становить близько 90-100мВ.


Сьогодні висновки будуть короткими.
Плата на 12 Вольт мені сподобалася, хоча й має невеликі недоліки: стабільно витримує заявлений струм, напруга на виході хоч і просідає, але цілком прийнятно, тож її можна використовувати за прямим призначенням.
А от варіант на 5 Вольт якось зовсім не вразив: так, дешево, так, без проблем тягне заявлений струм навантаження, має індикацію, захист тощо, але прикре значне просідання напруги під час перемикання на акумулятор розчарувало, на жаль...

На цьому, власне, все. Якщо є запитання, постараюся відповісти.