车载冰箱不间断供电设计

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前言

因为家里有需要低温冷藏保存的药品，对于普通人家来说，这种要求比较苛刻。药品需要3~8℃保存，家里冰箱并不是恒温，而且设置温度没有具体数值，只有档位，这对于恒温保存提出了较多要求。而且不能时时了解到冰箱内的温度，因此家里购买了车载冰箱，交直流都能用的那种。本文暂不讨论温度实时监测的问题。由于之前电网出现了问题导致较大面积停电，对于药品保存不太有利，所以本文主要讨论冰箱的不间断供电的技术问了。

啰嗦了一大堆，下面开始正文~~

一、问题提出与分析

1. 问题提出

刚才在前言中说了，主要是为了解决短时间的停电导致药品保存可能出现困难的情况。家里所购买的车载冰箱为60~70W，有交流和直流输入接口，如下图所示，图中左边插头为DC输入，右边插头为AC输入，其中DC输入使用的是车充接头。
需要解决的问题是：在日常需要一直使用AC作为输入，DC可与电瓶连接用于备用供电，AC正常供电时DC供电断开，AC供电断开之后直流供电开始，怎样实现这样的电源切换。

2. 问题分析

1. 遇上这样的问题首先考虑使用继电器，大致思路为：继电器与DC的正极相连接，在AC供电时继电器断开，AC断开时继电器闭合。这种情况带来的问题是：如果使用常开继电器，继电器需要接在直流端，控制信号需要从电瓶端给出，而且如何对交流电是否断开进行判断；此外，继电器开关瞬间的jitter如何进行抑制，会不会对冰箱产生影响？
2. 那么另一个解决方案就是采用与继电器原理类似的场效应管来实现，场效应管的导通与关断主要只与管子的栅源电压有关，基本不消耗功率，最重要的是导通与关断的时候不会出现大的jitter。四舍五入选择使用场效应管方案。
3. 然后就是如何判断AC是有电。想起了以前拆过的万能充，里面没有变压器但是也能给手机电池充电，在bing中搜了一下，这使用的是阻容降压，使用高耐压的电容和电阻进行降压，然后使用半波或全波整流配合稳压管以及电解电容滤波，将交流变为直流。电解电容和稳压管家里还有一堆，所以，那就用这个方案，妥妥的。
4. 场效应管选型，用N还是P？在英飞凌的官网上对这两种进行了研究。如果使用N-mos，电流从漏极流入，源极流出。下图为一个N-MOS的特性，可以认为V_GS越大，导通性越好，而源极的电压与漏极电压不会相差太多，因此只要栅极电压大于供电电压即可，同时要注意到mos管关断时源极电压为0，栅源电压不能使管子击穿。
   
   P-MOS的特性如下图所示，其实和N-MOS差不多，就不多说了。
   
   最开始的方案是按照直流供电48V进行设计（家里电动车电瓶为48V），控制48V电源开关之后使用DC-DC降压到12V使用（冰箱DC供电12V），因此在高电压的情况下使用N-MOS就不方便了。最终敲定的方案为P-MOS方案。

二、电路设计

1.电路仿真

首先搭建仿真电路进行仿真，如下图所示。图中Q2为NPN三极管，用于驱动MOS管。R4和R3根据实际情况进行修改。在交流断开时Q1需要导通，源极电压与V2相同，则栅极电压就必须低于源极，所以使用R3和R4分压。交流供电时，Q1需要关断，那么栅极电压就需要的相对较高，所以考虑使用Q2的NPN管子将较高电压注入，也就是图中PR1上的电压通过R3和Q2分压的方式完成（个人理解，如果有不妥望指正）。所以要求PR1电压至少要略高于V2，由于没有合适的稳压管，所以对48V的输入方案就不行了，改为12V输入。最后亲测可行。

2. 原理图设计

PCB如图

3.实际电路

首先感谢嘉立创给像我这样的爱动手的人提供了超级超级大的方便，不用自己腐蚀打孔了。
从左到右从上到下的接口分别为AC输入、AC输出、DC12输入、DC12输出。图中C4的设计最主要考虑到负载为冰箱，是一个感性负载，所以加入电容稳定供电。C2太大会导致交直流切换时间较长。

三、实际调试

调试结果做成动图有点大，上传费劲，干脆就不折腾了。最终连线如下图所示