DIY树莓派UPS -一个不间断的电源供应，以保持您的Pi在停电期间的安全

树莓派是一种小型或微型计算机，可用于不同类型的小型到大型嵌入式，物联网，工业物联网应用。由于这是一台可以运行不同操作系统的计算机，因此关闭这台小型计算机是一件重要的事情，可以确保保存所有内容，操作系统正确结束所有必需的任务，并且可以安全关闭设备。不确定的电源故障可能会损坏Pi，操作系统也可能崩溃。以前我们已经构建了许多树莓派项目，其中大多数需要24x7工作，所以这个项目可以像树莓派UPS帽子一样，可以用来在电源故障时保持我们的树莓派。

为了在不确定的电源下降或意外关机时保存Pi，可以构造一个UPS，与我们家庭或办公室中使用的UPS备份相同。在这个项目中，我们将制作RPI UPS电源，它可以提供足够的时间来保存RPI中的代码，也可以作为一个单独的电源单元用于备份。我们已经在PCB上建立了这个项目，并使用PCBWay为这个项目制造电路板。在本文的以下部分中，我们详细介绍了为PCBWay的树莓派UPS帽设计、订购和组装PCB板的完整过程，以便您也可以轻松地自己构建一个。让我们开始吧。

树莓派UPS的规格

我们的紧凑型RPI UPS备份的规格如下：

1.由广受欢迎的18650锂离子电池供电。

2.可提供高达1.5A(连续)和2.5A(峰值)的电流输出。

3.电池充电功能来自USB连接线，可使用任何5V标准手机充电器。

4.过充，自动切断，深度放电保护功能。

5.简易USB Type-A输出连接器。

6.紧凑的设置，可以很容易地适应在一个机箱。

7.效率约85%以上。

由于这个设计是在考虑到树莓派可以在满负荷工作的情况下完成的，所以了解树莓派的电流是很重要的。由于RPI有多种可用的变体，每种变体的总电流消耗可以在下面的图表中看到：

因此，拥有1.5A的净空是运行RPI的连续方法。但是，根据数据表，峰值电流可能是2.5A。重要的是在PSU器件中具有高达3A的供电能力，保持1.5A的连续电流能力。

组件用于设计我们的定制不间断电源(UPS)

1.锂电池18650 1200mAH

2.TP4056 -电池充电/保护模块(Micro USB)

3.10uF 10V电容

4.100 k电阻

5.620R电阻1%

6.10nF 16V电容

7.2.2uH桶电感，至少6A的能力

8.0.1uF电容16V

9.SR360二极管

10.100pF 10V电容

11.22uF 10V电容

12.2k电阻，1%公差

13.6.1k电阻，1%公差

14.USB A接口

15.18650电池座

树莓派UPS电路图

在原理图中，我们可以观察到多个电阻和电容，每个电阻和电容在模块的正常运行中发挥着特定的作用。C2(1uF)为软启动电容。当输出端连接高容性负载时，它用于补偿浪涌电流。由于这个电容，开关驱动器将慢慢打开开关元件，这是电感L1 (2.2uH)。L1将被接通和关断，在此期间，它将向输出肖特基二极管SR360提供功率。SR360是一个3A 60V肖特基整流二极管，转换从电感L1的高频输出，也防止任何反向电流到电路。

电阻R3(6.1K欧姆)和R4(2K欧姆)是两个反馈电阻，在开关稳压器上提供必要的反馈。分割电压或反馈电压将始终为1.245横跨稳压器的FB引脚。因此，它将电压增加到5V，由于这个2k和6.1k的电阻，反馈电压将达到1.245V。C3用来平滑反馈线。

620R和10nF， R1和C1是变流器稳定运行所必需的。

C4和C5是输入和输出的滤波电容。

RPI UPS原理图及工作原理

让我们看一下树莓派电池备用模块中使用的IC的原理图和引脚图。PI UPS模块是一个简单的电路，很容易理解。为了便于理解，我将该模块分为两个部分或阶段：

1.电池充电电路

2.开关升压调节器。

电池充电器：

为了简单和不提供额外的努力，我们选择了一个优秀的电池充电器模块TP4056。它是一款电池充电器，具有所有保护模块，能够以1A充电锂离子电池。此外，它还有一个微型usb接口。因此，很容易将该模块焊接到PCB上，并获得具有所有类型充电保护的USB充电功能，而无需增加选择组件，设计电路，然后采购组件并最终将其焊接到电路板上的任何额外努力。在大多数情况下，标准锂离子电池充电IC的成本超过了该模块的整个成本。因此，这个模块可以作为一种低成本的替代方案。该模块还具有LED指示灯的附加功能，它通过两个单独的LED为我们提供锂离子电池的充电状态。

开关升压调节器：

锂电池在不充电和充满电的情况下提供3.2V至4.2V输出。通常，在最佳充电条件下，电池电压保持在3.7V-4.1V。因此，我们需要某种可以在输出端提供5.0V的开关稳压器。同时，我们还需要选择电流范围为3A的开关稳压器。在这里，我们选择了开关稳压器MIC2253，这是一个3.5A开关稳压器，使用1MHz PWM产生输出电压。由于开关频率为1MHz，这为使用更小的电感器提供了可能性，从而可以在很小的尺寸上提供高功率。为了补偿电池电压，它具有2.5V至10V的输入电压范围，这是我们设计要求的理想电压。

了解MIC2253的引脚描述：

在使用任何IC之前，我们应该了解它的引脚描述，以便更好地了解IC及其功能。

→请检查该芯片是否有AGND和PGND。两者在原理图上是相同的，因为两个引脚都是接地的。但是，当涉及到PCB设计和原型设计阶段时，这是一件非常重要的事情，并且完全不同。我们将在稍后的PCB部分讨论这一点。

我们树莓派UPS的PCB设计

接下来是这个项目的复杂部分。为什么?让我们来看一下：

1.热补偿- 3A输出在5V相当于15W的痕迹愤怒

2.甚高频- 1兆赫

3.MIC2253的内部构造

让我们看看如何处理这个问题。但在继续之前，如果你不够小心，电路就会失效。因此，我建议您使用我们网站电路文摘上提供的PCB。

该芯片的PCB设计不当可能会导致以下问题：

•由于热保护触发导致的意外停机

•在输出端产生高尖峰

•由于不确定的地噪声而产生非常高的纹波

•高位反弹可能会影响零售价格指数。

1. 热补偿- 3A输出在5V相当于15W的痕迹愤怒：

首先，总是在需要PCB散热器的双层中制作高功率板。

使用的地平面是总耗散面积，从芯片将发生热传导。

我们来计算表面积

根据设计数据，该板为：87mm × 38mm = 3306平方毫米。

现在，100%填充的铜表面积将相当于3306 x 2 = 6612平方毫米。

我的设计表明，在多面体层上的总地面倾水量相当于69.73%。假设是70%

因此，我在二维视图上的散热器生成将是：6612 x 70% = 4628平方毫米

现在，因为它是铜，它有一个物理厚度。铜的厚度有30um和70um两种。70万美元更贵。因此，在3D形式下，我的铜表面将是4628 + (4628 x 0.035) = 4789，对于35um和70um，它将大约是5000平方毫米。

这是一个非常糟糕和粗略的计算，因为热传导不会在所有地方都是均匀的，这取决于操作和环境温度，大气压力等等。但我们还是不要深究这部分。如果我们大致假设5000平方毫米的50%在做它的工作，那么2500平方毫米将是我们MIC2253的设备散热器，这已经足够了。

现在走线按照IPC的最低标准做得更厚，以弥补这一点：

2. 甚高频- 1兆赫：

Mhz范围是射频设计的第一阶段。在这个阶段，很难将走线与杂散电容隔离开来，并创建一个迷你版的RLC电路，因为走线是由铜制成的，它具有电阻和电感，两个走线之间的玻璃板是电容的。

避免FB走线靠近电感器或低于电感器。

在MIC2253的进料处提供FB引脚的地钉。

3. MIC2253的内部构造：

MIC2253的结构使用嘈杂和复杂的模拟电路以及大功率通流晶体管。现在，由于电流为3.5A，在启动过程中，巨大的负载会使电压略有下降，这导致感应比较器出现问题。

查看内部结构，显示两个独立的基础，但它们是共同的基础：

蓝色的是模拟地，由所有模拟电路使用，而红色的是所有负载电路使用的电源地，负载电流Li将通过通晶体管。区分这两者是必要的。

红色的是电源地，而蓝色的是模拟地，它与实际地平面完全分离。它甚至在底部也没有连接：

R4和C1仅通过单独的顶部接地路径连接，甚至不在底部接地多边形平面中。

使用PCBWay制造树莓派UPS。

现在我们了解了原理图是如何工作的，我们可以继续为我们的项目构建PCB。点击链接查看我们之前构建的所有PCB项目，您还可以在下文中找到NodeMCU GPS Tracker PCB设计文件和GERBER文件。

现在我们的设计已经准备好了，是时候使用Gerber文件来制作它们了。从PCBWay获得PCB很容易;只需遵循下面给出的步骤。

第一步：登录，如果是第一次，就注册。然后，在PCB Prototype选项卡中，输入PCB的尺寸、层数和所需PCB的数量。

第二步：点击“现在报价”按钮。如果需要，你会被带到一个页面，在那里设置一些额外的参数，比如使用的材料轨道间距等，但通常，默认值工作得很好。

步骤3：最后一步是上传Gerber文件并继续付款。为了确保付款过程顺利进行，PCBWAY会在付款前验证您的Gerber文件是否有效。这样，您可以确保您的PCB是制造友好的，并将达到您的承诺。

组装树莓派UPS板

几天后，我们从PCBWay收到了整齐包装的PCB，正如你在下面看到的，PCB质量一如既往地好。顶层和底层无缝完成，适当的签证和轨道间距。

在确定轨道和足迹是正确的之后，我开始组装PCB。完全焊接板看起来像下图所示。

树莓派UPS板-测试和工作

电路板准备好后，我就开始测试。我用一个微型usb适配器给它供电，并用万用表检查升压转换器一侧的输出。

正如我们可以使用万用表观察到的，3.7V锂离子电池的输出升压电压为5V，这足以为树莓派模块供电。我们已经准备好了5V输出，现在是时候插入Rpi模块了。

可以清楚地看到，Rpi模块从3.7V锂离子电池中获得5V升压电源。红色LED也可以被观察到发光，因为电池目前正在充电，同时为Rpi提供电源。一旦电池充满电，我们将观察到蓝色LED，然后我们准备将直流适配器移到TP4056。

本文编译自circuitdigest