3009 SuperCap UPS 5V3A/12V

关键词

树莓派、Raspberry Pi、超级电容、UPS、5V3A、12V1.5A、GPIO检测、44F、22F、100F、掉电续航

一、简介

在一些数据敏感和高可靠性工业应用现场，对电源有着极其严格的要求。当出现外部电源意外掉电情况时，系统必须有足够的时间来保存数据并安全关机，这时就需要有UPS不间断电源的协助。常规UPS电源基于锂电池进行电量后备，容量可以做的很大但同时体积和成本上没啥优势。对于嵌入式主控板我们可以采用基于超级电容的小容量小体积UPS即可。我司针对此类应用推出了基于超级电容的小型UPS，分2款，一款5V3A版本，一款12V版本；超级电容容量可从10F到100F。采用7-24V直流输入，在给超级电容充电的同时还可以对后级负载提供5V3A/12V1.5A/12V2A的输出。

外部电源断电之后可无缝切换至超级电容供电，并可对外提供5V3A/12V1.5A/12V2A的驱动能力。可提供10-100s的掉电续航时间（视电容配置和负载轻重而变化），可满足树莓派、英伟达、OrangePi等各类派以及无人机，工控设备和嵌入式系统的掉电数据保存要求。

二、产品特征

此超级电容UPS的设计目的是用于在掉电后为树莓派等平台提供一段时间的续航来保存数据，确保数据不丢失并降低存储器在读写中断电而损坏的概率。但此款UPS并不包含电源路径逻辑管理功能，即不能在外部电源重新来电后对后级系统进行复位操作。

以树莓派平台为例，用户的应用程序是检测到外部电源掉电进入UPS后备电池供电模式后完成数据保存并执行软件关机。在软件关机这种状态下要重新唤醒树莓派，有两种方式：一种是执行复位；另外一种是等UPS放完电后进入断电模式，等下次上电后会自动启动。但如果出现了在UPS的电还没放完之前外部电源就又重新恢复供电了，那此时树莓派如果处于软件关机状态将无法再唤醒。要解决此问题可通过如下方法：

修改树莓派应用程序，当检测到外部电源掉电后进入UPS后备电池供电执行数据保存操作，关闭对存储器的读写进程时，不执行软件关机，而是通过DCIN插针一直检测外部电源是否恢复。如果在UPS放完电之前外部电源恢复供电则再次运行用户业务程序。如果直至UPS放完电外部电源也未恢复供电，则树莓派系统进入彻底的断电模式，下次来电后将自动启动。

若不想用以上方法，那可以定制UPS供电模组，我们可以提供定制服务，在超级电容UPS电源模块上加入单片机进行电源路径管理，可以根据用户要求对外部电源在后备电源耗尽之前又恢复供电的情况通过GPIO或者串口进行交互，避免出现上述情况。还可以添加RTC电路实现定时开机关机。

三、5V3A版本（适用于树莓派）

3.1 硬件资源

供电输入：7-24V直流，3.81mm-2P拧接端子或DC5.5-2.1接口；外部输入需确保可提供至少24W功率；

输出接口：一路竖USB2.0-A和一路3.81mm-2p端子，两路可同时使用，总电流5V3A；

超级电容：5V版本容量为22F，2串（A-2）或2串2并结构（A-4）；

充电电流：限流2A，充满需1-5分钟（视超级电容容量而定）；

放电电流：外部电源接入且电容已充满时稳定5V3A输出短时5V4A；超级电容供电时输出5V3A；

掉电检测：2.54mm-2Pin插针，逻辑电平3.3V表示有外部电源输入，逻辑电平0V表示外部电源掉电；

电压测量：2.54mm-2Pin，ADC测量超级电容电压；

电源灯：一个供电输入指示灯，一个5V输出指示灯；

电量指示灯：3个指示灯，用于指示超级电容电压，可根据3个LED的亮度大致判断充放电进度；

尺寸：85*56*24mm，即完全兼容树莓派4B定位孔，又兼容树莓派Zero系列定位孔，也兼容香橙派3 LTS定位孔。

3.2 掉电检测

硬件平台：树莓派4B、超级电容22F 5V（A-2）

软件平台：树莓派官方OS，版本为：2024-11-19-raspios-bookworm-arm64.img.xz

树莓派系统下载地址：

https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/#raspberry-pi-os-64-bit

3.2.1 掉电指示脚本演示

操作方法如下：

将模块上的掉电引脚（DCIN+）与树莓派4B的任意一个通用GPIO相连；此处我们连的是GPIO26：

树莓派的GPIO引脚定义图见下（本例所用的GPIO26已用红框标出）：

脚本代码如下：

请在终端中运行下面的命令下载GPIO状态检测脚本（本脚本将检测的GPIO引脚设置为GPIO26，如果需要检测其它引脚，请自行使用文本编辑器，修改脚本中的引脚号）：

wget -O gpiot.sh http://www.mcuzone.com/wiki/3009_UPS_Scap/gpiot.sh.zip

或者使用下面的地址下载脚本，下载完毕后将文件名改为gpiot.sh，并拷贝到树莓派系统下（本文档是把脚本文件放在用户主目录下）。

http://www.mcuzone.com/wiki/3009_UPS_Scap/gpiot.sh.zip

运行下面的命令，给脚本添加权限：

sudo chmod +x gpiot.sh

然后运行脚本：

./gpiot.sh

运行结果为，当输入电源正常连接时（即充电状态），终端显示：

此时GPIO26的状态为hi（高电平）。

当输入电源断开时（即放电状态），终端显示：

此时GPIO26的状态为lo（低电平）。

运行结果视频示例：

注意：GPIO26的状态从高电平变为低电平有可能需要一定的时间，断开输入电源到状态变化大约需要数秒钟（Power LED渐渐熄灭），在此期间的状态仍为高电平。

3.2.2 掉电保存系统演示

将模块上的掉电引脚（DCIN+）与树莓派4B的任意一个通用GPIO相连；此处我们连的是GPIO18：

程序代码如下：

程序运行显示如下：

python ups.py

此时断开超级电容UPS的输入电源。程序将保存系统设置，并自动开始倒计时，然后自动关机：

注意：在倒计时的过程中如果给超级电容UPS恢复供电，是不能中止程序自动关机的。

关机后，如果需要再次开机，请给树莓派4B重新上电。

参考程序：

http://www.mcuzone.com/wiki/3009_UPS_Scap/ups.py.zip

注意：下载完毕后将文件名改为ups.py，并拷贝到树莓派系统下使用。

经测试，2024年7月以后的树莓派官方系统需要先安装运行库才能运行本程序，安装方法为在树莓派终端中执行：

sudo apt install python3-rpi.gpio

sudo apt install python3-rpi-lgpio

四、12V（B-3）版本

4.1 硬件资源

超级电容12V版本分1.5A和2A款；1.5A分两款尺寸，分别为B-3和B-3-S。

超级电容12V	1.5A款		2A款（自带散热风扇）
	B-3	B-3-S	B-3
供电输入：9-24V直流	3.81mm-2P端子和DC5.5-2.1	3.81mm-2P端子	3.81mm-2P端子和DC5.5-2.1接口
	确保可提供24W功率		确保可提供36W功率
输出接口：	USB-A和3.81mm-2P端子	3.81mm-2P端子	3.81mm-2P端子
超级电容：3串结构	22F		22F/60F/100F
充电电流：充满需1-5分钟（视超级电容容量而定）	限流2A		限流3A
放电电流：外部电源接入高于2A或超级电容充满时	1.5A		2A
掉电检测：2.54mm-2P插针，逻辑电平	3.3V表示外部电源输入，0V表示外部电源掉电		5V表示外部电源输入，0V表示外部电源掉电
电压测量：2.54mm-2Pin插针	ADC测量超级电容电压	无	无
LED灯：	一个供电输入指示灯，一个12V输出指示灯； 3个电量指示灯，用于指示超级电容电压，可根据3个LED的亮度大致判断充放电进度。
尺寸（单位mm）：	85*56	65*58	64*56

12V1.5A版（B-3）：

12V1.5A版 (B-3-S):

12V2A版(B-3)：

4.2 掉电检测

掉电检测的方法可以参考5V3A版本。

五、续航时间

负载	输出电压/电流	续航时间
		5V（A-4）	5V（A-2）	12V1.5A（B-3/B-3-S）	12V2A 22F(B-3)	12V2A 60F(B-3)
2*10Ω并联	4.9V 0.91A	56S	28S
10Ω	5V 0.47A	1M56S	59S
3*5Ω+1*10Ω	4.7V 2.9A		6S
	4.9V 3.01A	13S
	12V 1.5A			7S
	12V 1A				15S	42S
	12V 2A				6S	15S

注： S=秒，M=分

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