2020-07-27

ラズパイ用の電源#2

雑記

要求仕様を満たすために考えるべきことは、まずどうやって入力消失後30秒間出力を維持するか。
とりあえずぱっと思いつくのは以下の２つ。

それぞれのメリット/デメリットは以下の通り。

コンデンサ
- メリット
  - 充電は特に制御が必要ない
  - ５年程度では劣化を特に気にする必要がない程度には長寿命
- デメリット
  - 放電時は残容量に従い線形に電圧が低下するので電圧を一定に保つには何らかの制御が必要
  - 容量が少ない
二次電池
- メリット
  - 放電時の電圧変動が少ない
  - 比較的容量確保が楽
- デメリット
  - どのタイプの二次電池かにもよるが大抵充電制御が必要
  - 寿命を気にする必要あり

どちらにするか決めるためにも、求めるものを整理していく。

ラズパイシャットダウンの時間確保用なので最終の出力電圧は5V、ラズパイの最新モデル4Bが資料によると最低2.5Aを必要としているようなので最低でも $5 \times 2.5 = 13$ で13Wを30秒間出力できるもの。
13Wを30秒なので、 $13 \times (30 / 60 / 60) = 0.1083...$ でだいたい110mWh、ないし $13 \times 30=390$ で390J。

容量だけを考えると二次電池ならかなり小さいものでも余裕で確保できるが、小さいものだと出力2.5Aを確保できない。
二次電池から選択する場合は、容量よりも電流量がネックになる。
ちょっと調べてみた限りではリチウムイオンだとかニッケル水素は2.5Aを確保しようと思ったら2.5Ah以上が必要みたい。
電池のデータシートにやたらとCが出てきて、最初電荷の単位クーロンだと思ってて意味不明すぎたんだが、どうも全然別の単位で全容量を1時間で放出しきる電流量が1Cらしい。紛らわしすぎる。
リチウムイオンだとかニッケル水素の電池が1C以上取り出しちゃいけないようなので、30秒間だけのはずが1時間以上持つものが出来上がってしまう。
期待していなかった鉛蓄電池が重いけどこの用途には向いてるみたい*1。

コンデンサの場合、大容量を確保しようと思うと電気二重層タイプになる。
しかし電気二重層タイプは耐圧が著しく低いので仮に2Vで充電するとして、かつ出力電圧維持の都合上容量の7割までしか使えないとすると必要な静電容量は $Q=\frac{1}{2}CV^2$ だから $\frac{390}{0.3} \times 2 \times \frac{1}{2^2}=650$ で650F。
650Fを1つで確保はできないので6つぐらいを束ねることを考える*2。
となると、束ねたコンデンサ間の電圧に偏りが生じないよう制御する必要が出てくる。
需要はあるみたいで専用にICが出てる*3。
ただ、なんといってもでかい。
2.5V/150Fという製品があるが直径35mmの高さ50mmと中々でかいものが6個とバランス制御用ICでかなり実装面積が必要となるし、お値段が１個2000円ぐらいするからラズパイ本体よりも高くなること必須。

*1:BP3-6-T1 www.digikey.jp

*2:6つなのは充電電圧2Vだと直列にしたとき12Vとなって扱いやすいから

*3:www.rohm.co.jp

2020-07-25

ラズパイ用の電源#1

雑記

仕事でもいつの間にか30台程度のラズパイが私の管理下にある今日この頃。
ラズパイの電源系をなんとかしたい。

仕事で買う場合は社内ネットにつなぐ必要上ICT部門経由でケースやACアダプタとのセット品を購入しているのだが、今のところ5～6台がセット品にもかかわらず電圧不足の警告が出る。
まあ、CPUをフルで使わせることはそうないので出てても問題ないといえばないのだが気になる。

また、ただでさえ長期運用時に信頼度が怪しいMicroSDに対して、工場の現場に配置している都合上電源ぶち切り運用が重なり、1年程度で壊れるものが続出。
まあ、事前に予想できていたことなので、内部ストレージはバッファ扱いで必要なデータはWi-Fiが有効な時に別に立ててあるサーバに吐き出させている。
だから壊れたからといって大きなデータの欠落等が出るわけではないが、壊れてから気付いて新しいMicroSDに入れ替えて元に戻すまで、データが途切れることは確かだし、何より現場から回収して事務所で再セットアップしてまた設置しに行くのが手間。

ということで、ラズパイを安定して運用できるだけの出力があり、電源入力消失時にラズパイ側に伝えラズパイのシャットダウンの間は電力を供給できる電源が欲しい。
既製品があれば購入するが、既製品を探すことと並行して基板設計の勉強がてら自分で設計してみようかとも思う。

設計する場合の仕様は以下の通り。

入力: 単相AC100V 商用電源 3極ねじ式端子台(N/L/E)
出力: 4極ねじ式端子台(V+/GND/SOUT/SGND)
- 電力
  - 電圧: 5V(+10%,-0%)
  - 電流: 定格3A
- 信号
  - 電源入力消失伝達用にオープンコレクタ出力を1系統
  - 通常時はクローズで電源入力消失時にオープンとなり、その後30秒間は電力出力を維持
形状: Raspberry Pi Zeroのケースと同程度の大きさ(79x38)