DIY Raspberry Pi UPS–一种不间断电源，可在停电时确保Pi的安全

Raspberry Pi是一款小型或迷你计算机，可用于不同类型的小型到大型嵌入式、物联网和工业物联网应用。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，以确保一切都得到保存，操作系统正确地结束了所有需要的任务，并且可以安全地关闭设备。不确定的电源故障可能会损坏Pi，操作系统也可能出现故障。之前我们已经建造了许多树莓派项目他们中的大多数人需要全天候工作，所以这个项目可以像树莓派UPS帽子并且可以用来在停电时保持我们的树莓派。

为了在不确定的电源下降或意外停机期间节省Pi，可以构建UPS，就像我们家或办公室使用的UPS备份一样。在这个项目中，我们将RPI UPS电源它可以提供足够的时间来将代码保存在RPi中，并且也可以用作单独的电源单元进行备份。我们在PCB上建立了这个项目，并使用PCB通道为这个项目制造电路板。在本文的以下部分中，我们详细介绍了为这款来自PCBWay的Raspberry Pi UPS帽子设计、订购和组装PCB板的完整过程，因此您也可以轻松地自己构建一个。所以让我们开始吧。

树莓派UPS的规格

我们的紧凑型RPI UPS备份的规格如下所示：

1. 由广受欢迎的锂离子18650提供动力。
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电缆，可以使用任何5V标准手机充电器。
4. 过充电、自动切断和深度放电保护功能。
5. 简易USB Type-A输出连接器。
6. 紧凑的设置，可以很容易地安装在机箱中。
7. 效率大约超过85%。

由于这个设计是考虑到树莓派可以在满负荷下工作，所以了解树莓派的电流消耗量很重要。由于RPI有多种可用的变体，因此每种变体的总电流消耗可以在下表中看到：

模型	条件	电流消耗（最大值）
卢比4 B	400%CPU负载	1280毫安
RPi 3 B型+	400%CPU负载	980毫安
RPi 3 B型	400%CPU负载	730毫安
RPi 2 B型	400%CPU负载	400毫安
带SSD的RPi 2B	400%CPU负载+1x 64GB SSD USB	1250毫安

因此头部空间1.5A是运行RPI的连续方式。但是，根据数据表，峰值电流可能为2.5A采购能力3A在PSU设备中保留1.5A的连续电流能力。

用于设计我们的定制不间断电源（UPS）的组件

1. 锂电池18650 1200毫安时
2. TP4056-电池充电/保护模块（Micro USB）
3. 10uF 10V电容器
4. 100k电阻器
5. 620R电阻器1%
6. 10nF 16V电容器
7. 2.2uH桶形电感器，至少具有6A功能
8. 0.1uF电容器16V
9. SR360二极管
10. 100pF 10V电容器
11. 22uF 10V电容器
12. 2k电阻器，公差为1%
13. 6.1k电阻器，公差为1%
14. USB A连接器
15. 18650电池座

树莓派UPS电路图

在示意图中，我们可以观察到多个电阻器和电容器，每个电阻器和电容都在模块的正常运行中发挥着特定的作用。C2（1uF）是软启动电容器。当高电容性负载连接在输出端时，它用于补偿浪涌电流。由于这个电容器，开关驱动器将缓慢地接通开关元件，即电感器L1（2.2uH）。该L1将被接通和断开，在此期间，它将向输出肖特基二极管SR360输送功率。SR360是一个3A 60V肖特基整流二极管，用于转换电感器L1的高频输出，并防止任何反向电流进入电路。

电阻器R3（6.1K欧姆）和R4（2K欧姆）是两个反馈电阻器，它们在开关调节器上提供必要的反馈。分压或反馈电压在调节器的FB引脚上始终为1.245。因此，它将把电压提高到5V，由于这个2k和6.1k的电阻器，反馈电压将达到1.245V。C3用于平滑反馈线。

转换器的稳定操作需要620R和10nF、R1和C1。

C4和C5是用于输入和输出的滤波电容器。

RPI UPS的原理图和工作

让我们来看看我们的产品中使用的IC的原理图和引脚图树莓派备用电池单元PI UPS模块是一个简单的电路，可以很容易地理解。为了便于理解，我将模块分为两个部分或阶段：

1. 蓄电池充电电路
2. 开关升压调节器。

电池充电器：

为了简单起见，在不付出额外努力的情况下，我们选择了一款出色的电池充电器模块TP4056。这是一款带有所有保护模块的电池充电器，能够为1A的锂离子电池充电。此外，它还有一个微型USB端口。因此，很容易将此模块焊接到PCB上，并获得具有所有类型充电保护的USB充电功能，而无需额外选择组件、设计电路、采购组件并最终将其焊接到板上。在大多数情况下，标准锂离子电池充电IC的成本高于该模块的全部成本。因此，该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，通过两个独立的LED为我们提供锂离子电池的充电状态。

开关升压调节器：

锂电池在无充电和充满电条件下提供3.2V至4.2V的输出。通常，在最佳充电条件下，电池电压保持在3.7V-4.1V。因此，我们需要某种能够在输出端提供5.0V电压的开关稳压器。同时，我们需要选择所需电流范围为3A的开关稳压器。在这里，我们选择了开关调节器MIC2253，它是一个3.5A的开关调节器，使用1MHz PWM来产生输出电压。由于开关频率为1MHz，这为使用更小的电感器打开了可能性，该电感器可以在很小的尺寸内提供高功率。为了补偿电池电压，它有一个2.5V到10V的输入电压范围，根据我们的设计要求，这是理想的。

了解MIC2253的引脚描述：

在使用任何IC之前，我们应该了解其引脚描述，以更好地了解IC及其功能。

→ 请检查此芯片是否有AGND和PGND。两者在原理图上相同，因为两个引脚都接地。但是，这是一件非常重要的事情，在PCB设计和原型制作阶段与每一件都完全不同。我们稍后将在PCB部分对此进行讨论。

树莓派UPS的PCB设计

这个项目的复杂部分来了。为什么？让我们看看：

1. 热补偿-5V时的3A输出相当于15W的跟踪电压
2. 甚高频-1 Mhz
3. MIC2253的内部结构

让我们看看如何处理。但在继续之前，如果你不够小心，电路就会出现故障。因此，我建议您使用我们网站上提供的PCB电路摘要.

此芯片中的PCB设计不当可能导致以下问题：

1. 热保护触发导致的非预期停机
2. 输出端产生高尖峰
3. 由于不确定的接地噪声，纹波非常高
4. 高地反弹可能会影响RPI。

1.热补偿-5V时的3A输出相当于15W的跟踪电压：

首先，总是在需要PCB散热器的地方制作双层高功率板。

所使用的接地平面是发生芯片热传导的总耗散面积。

让我们计算表面积-

根据设计数据，板为：87mm x 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，一夫多妻制层上的总地面倾倒量相当于69.73%。假设是70%。

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

现在，由于它是铜，所以它有一个物理厚度。有两种类型的铜厚度可供选择，分别为30um和70um。70um更贵。因此，在3D形式中，我的铜表面将为4628+（4628 x 0.035）=4789对于35um和70um，大约5000平方毫米。

这是一个非常糟糕和粗略的计算，因为并非所有地方的热传导都是均匀的，这取决于操作和环境温度、大气压等等。但我们不要深究这一部分。如果我们粗略地假设5000平方毫米中有50%在发挥作用，那么2500平方毫米将是我们用于MIC2253的设备散热器，这已经足够了。

现在，根据最低IPC标准，迹线变得更厚，以对此进行补偿：

2.甚高频-1 Mhz：

Mhz范围是射频设计的第一阶段。在这个阶段，很难将迹线与杂散电容隔离开来，并创建RLC电路的迷你版，因为迹线是由铜制成的——它具有电阻和电感，两条迹线之间的玻璃板是电容性的。

避免FB迹线在电感器上或电感器下方靠近。

针对MIC2253，在进线处的FB引脚上提供接地缝合。

3.MIC2253的内部结构：

MIC2253的结构使用了噪音大、复杂的模拟电路以及高功率传输晶体管。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，这会导致感应比较器出现问题。

参见内部结构，其中显示了两个单独的接地，但它们是公共接地：

蓝色的是所有模拟电路使用的模拟接地，而红色的是所有负载电路使用的电源GND和负载电流L<sub>我将通过传输晶体管。将这两者分开是至关重要的。

红色的是电源接地，而蓝色的是模拟接地，它与实际接地平面完全分离。它甚至在底侧也没有连接：

R4和C1仅通过单独的顶侧接地路径连接，甚至不在底部接地多音平面中。

使用PCBWay制造我们的树莓派UPS。

既然我们了解了原理图的工作原理，我们就可以继续为我们的项目构建PCB了。点击链接查看所有PCB项目我们之前已经构建过，您也可以在下面的链接中找到NodeMCU GPS Tracker PCB设计文件和GERBER文件。

设计和Gerber文件

现在我们的设计已经准备好了，是时候使用Gerber文件制作它们了。用PCBWay制造PCB很容易；只需按照下面给出的步骤操作即可。

步骤1：去https://www.pcbway.com/，如果这是你第一次，请注册。然后，在PCB原型选项卡中，输入PCB的尺寸、层数和所需的PCB数量。

步骤2：单击“立即报价”按钮继续。您将进入一个页面，如果需要，可以在其中设置一些附加参数，如使用的材料轨道间距等，但通常情况下，默认值可以正常工作。

步骤3：最后一步是上传Gerber文件并继续付款。为了确保流程顺利，PCBWAY在继续付款之前验证您的Gerber文件是否有效。通过这种方式，您可以确保您的PCB是制造友好的，并将以承诺的方式送达您。

组装我们的树莓派UPS板

几天后，我们收到了PCBWay的PCB，包装很整齐，正如你在下面看到的，PCB质量一如既往。顶层和底层在适当的签证和轨道间距下无缝完成。

在确保轨迹和足迹是正确的之后，我开始组装PCB。完全焊接的电路板看起来如下图所示。

树莓派UPS板-测试和工作

电路板准备好后，我开始测试它。我用微型USB适配器给它供电，并用万用表检查升压转换器侧的输出。

正如我们使用万用表所观察到的，3.7V锂离子电池的输出升压电压为5V，这足以为我们的树莓派模块供电。由于我们已经准备好了5V输出，现在是时候插入我们的Rpi模块了。

可以清楚地看到，Rpi模块通过3.7V锂离子电池的5V升压电源供电。还可以观察到红色LED发光，因为电池当前正在充电并同时向Rpi提供电源。一旦电池充满电，我们会看到一个蓝色LED，然后我们准备将我们的直流适配器移到TP4056上。

有关更多细节和结构，请参阅本页底部链接的视频。希望你今天学到了新东西。欲了解更多信息和问题，请在论坛部分发布以获得回复。非常感谢。