Publié le 7 avril 2018 - par

Alimentation sans coupure pour Raspberry-Pi

J’utilise un Raspberry-Pi 3B pour acquérir et publier automatiquement les données de ma station météo. Le Pi m’a semblé bien adapté à cet usage. Cependant, comme mentionné sur ce blog, la gestion de l’alimentation est un problème. L’absence d’une horloge secourue peut aussi s’avérer gênante.

Pourquoi une alimentation sans coupure pour le Raspberry Pi

Après avoir lu l’article publié ici (Lire l’article sur le Pi-Desktop), J’ai acheté un boitier PI-Desktop et j’y ai installé le Raspberry-Pi. Tout fonctionne conformément à ce qui est écrit dans l’article et à la notice, un anneau lumineux bleu du plus bel effet en prime. On résout ainsi une partie des problèmes mais il subsiste celui du redémarrage (ou plutôt du non redémarrage) après coupure de courant.

Pour tenter de supprimer cet inconvénient, j’ai d’abord testé un chargeur “power bank” pour smartphone que j’avais déjà par ailleurs mais une micro-coupure rédhibitoire au moment où on débranche l’alimentation secteur m’a fait abandonner cette solution. Finalement je me suis lancé dans la construction une petite alimentation sans coupure (ou UPS pour Uninterruptible Power Supply).

Réalisation

Cahier des charges

Pour un usage de gestion d’une station météo, le Raspberry-Pi est assez peu sollicité. Dans mon cas et pour un Raspberry-Pi 3B, la consommation est inférieure à 0,4 ampères. Dans certaines conditions cependant, celui-ci peut semble-t-il consommer un courant de plus de 1 ampère. J’ai choisi de dimensionner les éléments de l’alimentation de manière à ce qu’elle soit capable de fournir au moins 1.5 ampères.

Liste des éléments

 

  • Une alimentation micro-USB pour le Raspberry-Pi d’au moins 2,5 A (en général on l’a déjà si on a le Pi)
  • Un module de gestion de charge pour accu Li-Ion avec entrée sur micro-USB ou non (+/- 2€)
  • Un module convertisseur DC-DC de 3 V vers 5 V /2A avec sortie sur USB A (+/- 2€)
  • Une diode de type 1N 582x pour I > 1 A ou de type 1N 400x pour I <= 1 A   
  • Un MOSFET canal P à très faible RDSon (NDP 6020P par exemple avec un RDSon de 50 à 75 mΩ)
  • Un accu Li-Ion (dans mon cas un accu Emmerich 3.7 V, 2.6 A.h), on peut aussi récupérer une batterie de smartphone
  • Un super-condensateur 5.5 V / 1 Farad (+/- 2.5€). En fait, un condensateur électrolytique de 1000 µF fait l’affaire
  • Une résistance 100 kΩ
  • Une plaquette pour disposer et connecter les éléments
  • Une petite boite plastique adaptée
  • Cordons USB et µUSB avec conducteurs AWG 24

Schéma général de l’alimentation sans coupure

Fonctionnement général

Comme on peut le voir ci-dessus, le schéma est assez simple. Le premier module à gauche  gère la charge de la batterie Li-Ion à partir du 5 V fourni par la micro USB et le module de droite redonne une tension de sortie régulée de 5V en sortie vers le Pi.

Le MOSFET canal P de type NDP6020 reste bloqué aussi longtemps que le la tension d’entrée est présente et le module convertisseur est alors alimenté par cette même tension d’entrée diminuée du ΔVf de la diode. La batterie peut être chargée ou en charge tout en restant isolée du convertisseur par le MOSFET.

Si par suite d’une coupure secteur, le 5V au niveau de l’entrée du module de charge disparaît, alors la gate descend à 0 et le MOSFET devient conducteur. Le module convertisseur est alors alimenté par la tension de batterie diminuée du ΔVDS, très faible du fait du très faible RDSon.

Le condensateur (ou la “super cap”) assure une réserve de charge pendant la commutation et évite toute coupure. L’alimentation du Pi est assurée pendant un temps qui dépend de sa consommation et de la capacité de la batterie (∼ 5 heures pour 2.6 A.h et 0.35 A).

Noter que j’ai abandonné la “super cap” au profit d’un simple condensateur électrolytique de 1000 µF qui est mieux adapté à un fort débit même si sa capacité est considérablement plus faible.

Le contrôleur de charge

L’entrée se fait soit par la micro USB soit directement par soudure. Deux LEDs indiquent les états (rouge en charge, bleu chargé). La charge est contrôlée par le TP 4056P. Le courant max de charge est défini par la résistance R3. Pour R3 = 1.2kΩ, comme sur ce module, le courant est de 1 ampère. Les deux autres circuits assurent la protection de la batterie contre la surcharge ou la sur-décharge, par coupure de la liaison B-<–>Out- au travers du FS8205A.

Le convertisseur DC-DC de 2.5 – 4.5 V vers 5V

Ce convertisseur est capable de fournir plus de 2 ampères. La fréquence de travail du G5177C est de l’ordre de 500 kHz. Le rendement de conversion est supérieur à 90% pour une tension d’entrée comprise entre 3.5 et 4.2 V et un courant de 2A. Une LED indique l’état de fonctionnement (bleu = OK, rouge = défaut). La sortie se fait via la prise USB-A.

Sur le schéma type, l’inductance est de 2.2 µH. Elle est en réalité de 4.7 µH pour ce module.

Ces modules se trouvent facilement sur Internet (en provenance de Chine bien entendu…) et pour la somme modique d’environ 2€ pièce.

Câblage et montage

Coté composants

J’ai soudé les deux modules tête-bêche sur la plaquette perforée via des pins issues de barrettes tulipe à wrapper. Ces pins sont elles même soudées sur les modules. L’avantage des pins tulipe est de pouvoir y connecter directement des petits fils de cuivre rigide (voir la photo ci-dessus). J’ai collé directement la batterie sur la plaquette avec de l’adhésif double faces.

Coté soudures

Vue coté soudures : le peu de composants permet de se dispenser de la réalisation d’un circuit imprimé même si c’est un peu moins propre… Sur la gauche de la photo ci-dessus, on peut voir les deux conducteurs d’alimentation soudés directement au module.

J’ai préféré souder directement les fils au circuit d’entrée pour éviter les problèmes dus à un trop fort courant qui pourrait entraîner une détérioration du connecteur micro USB. En effet, pour un courant de 1 A en sortie du convertisseur, le courant à travers la diode est d’environ 1.35 A. Si de plus la batterie est en charge, un courant de 2.35 A est nécessaire en entrée du montage. C’est à mon avis très (trop ?) limite pour une connexion via micro USB type B.

Ventilation du boitier

En cas de courant important et durant la recharge de la batterie, le boitier chauffait un peu. Pour y remédier, j’ai effectué des perçages dans le boitier et adjoint des plots adhésifs pour le surélever et permettre la circulation de l’air. Cela permet une convection naturelle suffisante.

Dimensionnement des câbles

Côté câbles, celui reliant l’alimentation du Raspberry-Pi à la boite est assez critique. Il me semble impératif d’utiliser un câble équipé de conducteurs d’alimentation de section suffisante. AWG 24 (= 0,2mm2) me paraît être un minimum pour limiter la chute de tension. De plus, si on choisit de souder directement les conducteurs au module de charge, on peut réduire la longueur du câble au strict minimum. Un câble AWG 24 de 60 cm a déjà une résistance de 0,1Ω (1,2 m / 0,2mm2), soit une perte de 0,1 V par ampère.

Conclusion

On peut, en utilisant des éléments et des composants bons marché et faciles à trouver, réaliser une alimentation sans coupure pour le Raspberry-Pi. Je n’ai testé la réalisation décrite dans cet article que jusqu’à un courant de sortie de 1 A. Cependant, j’ai dimensionné les composants pour atteindre  au moins 1,5 A et il devrait être possible d’atteindre ce courant pour peu que l’on utilise une source 5 Volts capable de débiter au moins 3 A.

Liens

https://www.banggood.com/fr/DC-DC-Boost-Step-Up-Module-2_5V-5_5V-Input-5V2A-Output-p-1102305.html?rmmds=search&cur_warehouse=CN

http://www.ebay.fr/itm/5V-1A-Micro-USB-18650-Lithium-Battery-Charging-Board-Charger-Module-/222379762409?hash=item33c6dde2e9

https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Components/General%20IC/NDP6020P.pdf

 

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15 réflexions au sujet de « Alimentation sans coupure pour Raspberry-Pi »

    1. Pierre-Yves Beauvais Auteur de l’article

      Bonjour wouldsmina,

      Merci de votre commentaire.
      Pour l’instant je n’ai testé le montage que jusqu’à 1A en sortie et je l’utilise en réalité à ~ 0.4 A. Je ferai des essais à plus fort courant lorsque j’aurai trouvé une alimentation 3 A et je ferai un petit compte rendu.
      Bien cordialement,

      Pierre-Yves

      Répondre
      1. wouldsmina

        J’ai trouvé un module de charge 5V 2A au format d’une batterie 18650. Si je comprends bien tes explications :

        > Le courant max de charge est défini par la résistance R3. Pour R3 = 1.2kΩ, comme sur ce module, le courant est de 1 ampère.

        Les 2 ampères correspondent au courant de charge uniquement?
        Le courant en entrée peut il etre supérieur (a condition que le micro-usb le supporte)?

        Répondre
        1. Pierre-Yves Auteur de l’article

          Bonsoir wouldsmina,

          Je ne comprends pas ce qu’est ce module 5V/ 2A au format d’une batterie 18650. Pouvez-vous me donner un lien vers ce module ?

          Cordialement,

          Pierre-Yves

          Répondre
        2. Pierre-Yves Auteur de l’article

          Bonsoir Wouldsmina,

          J’ai regardé le module en question. C’est le genre de circuit qui équipe les “power banks “. Sur ceux que j’ai testés, il y a toujours une coupure de tension quand on débranche l’alimentation, ce qui plante le Pi…
          C’est vrai que ça paraît séduisant car ce module regroupe les deux fonctions (charge batterie et restitution du 5V) sur un seul module mais j’ai un doute sur sa capacité à faire le job.
          Ceci dit, vu le prix, ça peut valoir le coup de tester.

          Cordialement,

          Pierre-Yves

          Répondre
  1. Denis Brion

    Une chose me rend perplexe : pourquoi employer une didode non Shottky (1N400x) pour des faibles courants? Certes, elle est moins chère qu’une diode Shottky -le surcût restant negligeable en proportion du prix des autres morceaux- , mais elle met une chute de tension de 0.7-0.8 v, affectant le rendement de façon non n”égligeable par rapport aux performances des convertisseurs.
    De plus, si on décide de … consommer plus, se “limiter” à une diode Shottky éviterait de démonter/dessouder , ressouder/remonter…

    Répondre
    1. Pierre-Yves Auteur de l’article

      Bonjour Denis,

      Vous avez tout à fait raison. C’est juste que c’est ce que j’avais dans mes tiroirs au moment où j’ai voulu réaliser et tester le montage… Entre temps, j’ai trouvé sur une vieille carte une 1N 5821 que j’ai installée en lieu et place. La chute de tension passe de 0.9V à 0.35V. Pas négligeable en effet. L’inconvénient de la 1N582x est qu’elle est volumineuse et a des pattes de 1.32mm de diamètre.

      Du coup, je vais refaire un nouveau montage de test utilisant une Schottky 3A sélectionnée pour sa faible chute de tension (il y a des CMS à 0.35V pour 3A).

      Je me pose la question aussi de remplacer le MOSFET par une de ces diodes car j’ai remarqué à l’oscillo qu’il y a une instabilité au moment où je débranche l’alimentation de la prise secteur, qui se répercute jusqu’au 5V en sortie. Parfois (mais rarement tout de même), ça me plante le Pi-Desktop et en même temps le Pi lui même. C’est bête pour une alimentation sans coupure :(. Cette instabilité est due à la forme de la descente de la tension et en conséquence au passage pas “franc” du MOSFET de l’état bloqué à l’état saturé. Une Schottky règlerait ce problème au prix d’une chute de tension modérée (~ + 0.2V). Au moment de mon premier montage je n’avais que des 1N4004 et je n’avais guère d’autre choix que d’utiliser un MOSFET à cet endroit.

      Cordialement,

      Pierre-Yves

      Répondre
      1. Denis Brion

        Bonjour Jean Yves :
        l’idée de faire un OU naîf avec deux diodes Shottky de puissance est certainement la solution la moins chère (les FETs coûtent plus cher que des diodes Schottky). Cependant, on ne plus commander une des branches (ce qui est le cas avec votre montage).

        Je suis perplexe quant aux oscillations (effet Miller, augmentant artificiellement la capacité d’entrée -avec une resistance de 100 kO, qui est assez grande?)

        Répondre
        1. Pierre-Yves Auteur de l’article

          Bonjour Denis,
          Merci de votre retour.
          C’est vrai que si le MOSFET est remplacé par une Schottky il n’y a plus de contrôle par la présence du 5V mais en fait, il n’y en a pas vraiment besoin.
          Tant que l’on a du 5V en entrée, on a sur la branche directe : 5V moins la chute de tension dans la diode (typ. 0.4V), c’est à dire ~ 4.6V. Sur la branche accu on a au maximum 4.1V à l’anode (accu chargé). La diode est donc bloquée et le convertisseur n’est alimenté qu’en direct par le 4.6V.
          Maintenant, si l’entrée tombe à 0, alors, la tension à l’entrée du convertisseur chute jusqu’à ce que la diode accu devienne passante. Le convertisseur est alimenté par l’accu et la diode directe est bloquée jusqu’au rétablissement du 5V.
          Je n’ai pas encore testé mais je pense que ça marche.
          Concernant l’instabilité, elle ne se produit que lorsque je débranche l’alimentation de la prise secteur et jamais si je débranche à sa sortie au niveau de l’USB. Je n’en connais pas exactement l’origine mais en tous cas, elle est suffisamment forte pour se répercuter sur le 5 V en sortie du convertisseur.
          Cordialement,
          Pierre-Yves

          Répondre
  2. Denis Brion

    Je pensais à détourner le FET pour des besoins de contrôle…

    Une façon de tester si c’est bien le FET qui génère une instabilité -comprendre la cause est une source de satisfaction – (peut être très lent à détecter une chute de tension) serait de faire un OU logique naîf (avec deux diodes : j’utilise ceci depuis longtemps pour avoir du secteur et une pile, en **amont** d’un régulateur linéaire -donc, sans souci de rendement dans mon cas- ; en aval, j’aurais mis des Schottky ) sur l’accu et l’alim directe .

    Donc, a priori, cette solution, plus économique que le FET+ 1 diode, a d’énormes chances de fonctionner …

    Bien sincèrement.

    Répondre
    1. CDBI30

      Bonjour,
      Super ce petit module
      Mais 1A est largement insuffisant pour un Pi
      Surtout pour le nouveau Pi3B+ avec des pointes à plus de 2A

      Répondre
    2. Pierre-Yves Auteur de l’article

      Bonjour Seb@stien,
      En effet, comme dit CDBI30, super ce petit module. C’est un “tout en un”aisé à mettre en œuvre. Cependant, 1.2A c’est un peu court pour un Pi un peu “chargé”. Dans mon cas, avec une consommation mesurée de 0.35 A cela serait parfait mais j’ai voulu dimensionner pour pouvoir débiter de 1.5 à 2 A en sortie.
      Merci pour ce lien très intéressant.
      Cordialement,
      Pierre-Yves

      Répondre

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