ساخت برد UPS برای محافظت از Raspberry Pi همراه با PCB و schematic

مقدمه

Raspberry Pi یک مینی کامپیوتر است که می تواند در پروژه‌های مبتدی تا بزرگ Embedded ، اینترنت اشیا و پروژه های صنعتی استفاده شود. از آنجا که Raspberry Pi رایانه‌ای است که می تواند سیستم عامل های مختلف را اجرا کند، خاموش کردن این کامپیوتر کوچک یک مساله مهم برای اطمینان از ذخیره شدن اطلاعات است، Raspberry Pi برای جلوگیری از آسیب به سیستم عامل باید زمانی برای خاموش شدن اصولی داشته باشد. با استفاده از UPS می‌شود این مشکل را حل کرد.

اکثر پروژه های Raspberry Pi نیاز به کار 24 * 7 دارند یعنی در 7 روز هفته و به طور 24 ساعته کار میکنند.

این مقاله در مورد یک مدار ساده UPS برای Raspberry Pi است. ما منبع تغذیه RPI UPS را شرح میدهیم که می تواند زمان کافی برای ذخیره کد در RPi فراهم کند و همچنین می تواند به عنوان یک منبع تغذیه جداگانه برای پشتیبان گیری نیز مورد استفاده قرار گیرد. در ادامه مقاله روش تهیه کامل برد این تغذیه را شرح میدهیم.

UPS چیست؟

Uninterruptible Power Supply یا به عبارت مختصر  یو پی اس  (UPS) ، به معنای منبع تغذیه بدون وقفه است. UPS  یک منبع تغذیه الکترونیکی است که کارعمده آن ، تامین توان مورد نیاز بار مصرفی بدون وقفه می‌باشد.به عبارت دیگر  UPS    به عنوان منبع توان بدون وقفه با  استفاده از انرژی ذخیره شده در باتری، برق مورد نیاز تجهیزات مصرف کننده را تامین می‌نماید.  سیستم یو پی اس بین برق شهری و دستگاه مصرف کننده قرار می‌گیرد که  اضافه بر تنظیم برق شبکه و تثبیت آن مانع از نفوذ نویز و اختلالات شبکه به تجهیزات حساس مصرف کننده می‌شود .

مشخصات برد UPS محافظ Raspberry Pi

• استفاده از باتری لیتیوم-یونی 18650
• خروجی جریان پیوسته 1.5A و جریان پیک لحظه‌ای 2.5A
• استفاده از شارژر USB با ولتاژ 5v مثلا شارژر موبایل
• حفاظت از شارژ بیش ازحد، تخلیه بیش از حد، قطع خودکار
• طراحی فشرده و سازگار با انواع باکس های Raspberry Pi
• بازده حدود 85%

از آنجا که طراحی با توجه به اینکه رزبری پای می تواند با بار کامل کار کند انجام شده است، مهم است که بدانید رزبری پای چقدر جریان مصرف میکند. از آنجا که چندین نوع برای RPI موجود است ، مصرف کلی فعلی برای هر کدام در نمودار زیر قابل مشاهده است:

با توجه به جدول بالا جریان ذکر شده یعنی 1.5A پیوسته و 2.5A لحظه‌ای که در دیتاشیت ذکر شده میتواند برای مدل‌های مختلف مناسب باشد.

قطعات لازم برای تهیه UPS محافظ Raspberry Pi

1. باتری لیتیوم 18650 با جریاندهی 1200mAH
2. ماژول شارژر و محافظ TP4056
3. خازن 10uF 10V
4. مقاومت 100k
5. مقاومت 620R 1%
6. خازن 10nF 16V
7. سلف 2.2uH با جریان 6A
8. خازن 0.1uF 16V
9. دیود SR360
10. خازن 100pF 10V
11. مقاومت 2k 1%
12. مقاومت 6.1k 1%
13. USB A connector
14. جاباتری لیتیوم 18650

شماتیک Raspberry Pi UPS

در این schematic خازن‌های و مقاومت‌های زیادی استفاده شده است و هر کدام کاربرد خاص خودش را دارد. خازن 10uF اصطلاحا یک خازن soft-start است و زمانی که بار خازنی زیادی در خروجی است افت جریان را جبران میکند.

با وجود این خازن درایور سوئیچینگ به آرامی عنصر سوئیچینگ را که سلف L1 (2.2uH) است روشن می کند. با خاموش و روشن شدن‌های مداوم سلف L1 این سلف توان را به دیود شاتکی SR60 می‌رساند.

SR60 یک دیود شاتکی فرکانس بالای 3A است که خروجی فرکانس بالای سلف L1 را تبدیل میکند و غیر از آن مدار را از هرگونه جریان معکوس محافظت می‌نماید.

مقاومت های R3 (6.1K اهم) و R4 (2K اهم) دو مقاومت فیدبکی هستند که فیدبک لازم برای رگولاتور سوئیچینگ را تولید می‌کنند دز ولتاژ تقسیم شده یا ولتاژ فیدبک باید همیشه 1.245 باشد تا رگولاتور ولتاژ را تا 5V افزایش دهد. مقاومت‌های 2k و 6.1k ولتاژ فیدبک 1.245V را تولید میکنند و C3 برای نویزگیری فیدبک استفاده می شود.

620R و 10nF ، R1 و C1 برای عملکرد پایدار رگولامورد نیاز است.

C4 و C5 خازن فیلتر ورودی و خروجی است.

طبق شماتیک بالا میشود مدار را به دو بخش تقسیم کرد:

1. مدار شارژ باتری
2. رگولاتور سوئیچینگ BOOST

مدار شارژ باتری:

برای سادگی ما از راحت‌ترین راه ممکن استفاده میکنیم ( چرخ را دوباره نساختیم ) یعنی از یک ماژول شارژ تمام و کمال با همه ویژگی‌های حفاظتی لازم برای شارژ باتری استفاده میکنیم. ماژول TP4056 یک ماژول با جریان‌دهی 1 آمپر است. این ماژول همچنین دارای یک پورت MicroUSB است که کار ما را راحت‌تر می‌کند. غیر از این ویژگی‌های ذکر شده این ماژول 2 عدد LED برای نمایش وضعیت باتری دارد.

رگولاتور سوئیچینگ BOOST:

باتری لیتیوم در شرایط بین تخلیه و شارژ کامل خروجی 3.2 ولت تا 4.2 ولت را فراهم می‌کند. به طور معمول ، ولتاژ باتری 3.7V-4.1V در شرایط بهینه شارژ باقی می‌ماند. بنابراین ، ما به نوعی رگولاتور سوئیچینگ نیاز داریم که بتواند 5.0V را در خروجی تأمین کند. در عین حال ، ما باید رگولاتور سوئیچینگ را با محدوده جریان مورد نیاز که 3A است انتخاب کنیم. در اینجا ، ما رگولاتور سوئیچینگ MIC2253 را انتخاب کردیم ، که رگولاتور سوئیچینگ 3.5A است که از 1MHz PWM برای تولید ولتاژ خروجی استفاده می کند. از آنجا که فرکانس سوئیچینگ 1 مگاهرتز است ، این امکان را برای استفاده از یک سلف کوچکتر فراهم می کند که می تواند قدرت بالایی در اندازه کوچک ارائه دهد. برای جبران ولتاژ باتری ، دارای محدوده ولتاژ ورودی 2.5 تا 10 ولت است که مطابق نیاز طراحی ما ایده آل است.

معرفی MIC2253 :

قبل از استفاده از هر IC باید از توضیحات پین آن مطلع شویم تا اطلاعات بیشتری در مورد IC و عملکردهای آن بدست بیاوریم.

لطفاً بررسی کنید که این تراشه دارای AGND و PGND است. هر دو از نظر شماتیک یکسان هستند زیرا هر دو پین Ground هستند. اما، وقتی به مرحله طراحی و نمونه سازی PCB می آید ، این یک چیز بسیار مهم است و کاملاً متفاوت از هر کدام است. بعداً در بخش PCB در این مورد بحث خواهیم کرد.

طراحی PCB برای مدار Raspberry Pi UPS

در اینجا به بخش پیچیده این پروژه می‌پردازیم. چرا؟ بیایید نگاهی به آن بیندازیم:

• انتقال حرارت در زمان استفاده از توان کامل یعنی 5v و 3A که معادل 15Wاست.
• فرکانس خیلی بالای مدار یعنی 1MHz
• ساختار داخلی MIC2253

بیایید ببینیم چگونه می توان با این موضوع روبرو شد. اما قبل از ادامه ، اگر به اندازه کافی دقت نکنید، مدار خراب می‌شود. بنابراین ، توصیه من این است که از PCB ارائه شده در خلاصه مدار وب سایت ما استفاده کنید.

طراحی نادرست PCB در این تراشه می تواند منجر به مشکلات زیر شود:

• خاموش شدن ناخواسته به دلیل فعال شدن حفاظت حرارتی
• جهش های زیاد در ولتاژ خروجی
• ریپل زیاد به دلیل نویز زمین
• جهش در زمین مدار میتواند Raspberry Pi را خراب کند

انتقال حرارت در زمان استفاده از توان کامل از Raspberry Pi UPS

اول از همه بردهایی که حرارت زیادی تولید می‌کنند را در دولایه درست کنید تا بشود از خود برد بعنوان هیت‌سینک استفاده کنید. به تصویر زیر توجه کنید:

طبق تصویر از یک صفحه زمین سراسری در قسمتهایی که توسط رگولاتور گرم میشود استفاده کرده ایم تا حرارت ایجاد شده را به خوبی انتقال دهیم.

محاسبه سطح :

طبق ابعاد PCB سطح برد به طور کامل  3306 میلی‌متر مربع است و اگر رو طرف برد را در نظر بگیریم 6612 می‌شود . تقریبا 70 درصد برد را صفحات زمین متصل به هم تشکیل داده‌اند بنابراین یک هیت سینک 4628 میلی متر مربعی داریم.

اگر دو قطر 35um و 70um را برای ضخامت مس برد در نظر بگیریم، سطح کل مس برابر میشود با 4789 به ازای 35um و 5000 برای 70um .

اگر تاثیر بسته بودن فضا، فشار اتمسفر و … را نیز طوری در نظر بگیریم که این نصف این فضا را خنثی کند باز هم همان مقدار 2500 میلی‌متر مربع کافی است.

طبق تصویر زیر مقدار ترک‌ها را تا حد امکان ذخیم‌تر میکنیم:

فرکانس بسیار بالا 1MHz

وقتی صحبت از فرکانس در رنج مگاهرتز است باید در طراحی مدار پارامترهای بیشتری را در نظر گرفت. مثلا تاثیر خازنی ناخواسته، مثلا بین صفحات بالا و پایین یک دی الکتریک است که تاثیر خازنی ایجاد می‌کند. برای کم کردن اثر خازنی میشود در بخش‌های مدار بین دو صفحه مدار از via استفاده کرد مخصوصا در اطراف رگولاتور MIC2253 و اطراف ترک FB. در طراحی Raspberry Pi UPS باید در نظر داشته باشیم که ترک FB از نزدیک سلف یا زیر آن عبور نکند.

ساختار داخلی MIC2253

ساختار MIC2253 از مدارهای آنالوگ پرنویز و پیچیده و همچنین ترانزیستورهای گذر قدرت بالا استفاده می کند. از آنجا که جریان 3.5A است، در هنگام راه اندازی، یک بار بزرگ باعث کاهش جزئی ولتاژ می شود و این باعث ایجاد مشکل در مقایسه گر می شود.
ساختار داخلی را مشاهده کنید که در آن دو زمینه جداگانه نشان داده شده است ، اما آنها زمینه مشترک هستند:

رنگ آبی آن Analog Ground است که توسط مدارهای آنالوگ مورد استفاده قرار می گیرد در حالی که قرمز آن Power GND است که توسط تمام مدارات بار استفاده می شود و جریان بار باتری از ترانزیستور گذر عبور می کند. جداسازی این دو زمین ضروری است.

به تصویر زیر نگاه کنید:

قرمز زمین Power است در حالی که آبی زمین Analog است که کاملاً از صفحه اصلی زمین جدا شده است. حتی در قسمت پشت برد نیز به هم متصل نیستند. مثلا تصویر زیر:

R4 و C1 از مسیر های مجزای زمین به هم متصل هستند و حتی به پلیگان زمین نیز وصل نیستند.

تصویر زیر تصویر PCB نهایی در نرم‌افزار است:

تصویر برد پس از مونتاژ

بعد از مونتاژ حتما قبل از اتصال ولتاژ خروجی Raspberry Pi UPS را با مولتی متر اندازه بگیرید:

تصویر تست UPS روی Raspberry Pi

در ویدیوی زیر عملکرد مدار Raspberry Pi UPS را می‌بینید:

لینک ویدیو در Youtube