Banana Pi R1: pořádné napájení je základ

Vhodný zdroj k jakémukoli zařízení je první podmínkou bezproblémové funkčnosti. To platí i pro Banana Pi R1, a proto popíši, jak je u něj napájení řešeno, jeho záludnosti a jaké jsou možnosti jeho přizpůsobení různým potřebám,

Banana Pi R1 je napájeno skrze micro USB konektor, je tedy potřeba 5V zdroj. Dle konkrétního použití je potřeba zdroj, který dodá 2 až 3 A. Spíše než parametry na štítku je pro nás však zásadní skutečná kvalita zdroje. I USB kabel může způsobit problémy, pokud je nekvalitní. Proto je potřeba pořídit kvalitní USB kabel, který je zároveň co nejkratší.

Zdroj je dobré vybírat podle konkretního použití, proto nejprve popíši podrobeněji parametry a možnosti napájení Banana Pi R1.

Power Management Unit

Počítač BPi obsahuje čip AXP209, který se stará o řízení napájení. Vstupní napájení je buď 5 V nebo cca 4 V z Li-pol baterie. Na výstupu AXP209 jsou řízené step-up/down stabilizátory, které vytváří napětí pro různé napájecí větve jednotlivých komponent počítače. Blokové schéma (neoficiální) je znázorněno na obrázku: BPI-power_scheme.pdf

Díky čipu AXP209 je proto možno napájet BPi z baterie, konkrétně je napájení PMU čipu navrženo pro jeden článek Li-pol baterie. Přestože tyto baterie nedosahují napětí 5 V, není to problém, protože napájecí elektronika obstarává i zvýšení napětí.

S připojenou baterií pak zařízení má fungovat i po výpadku proudu, obdobně jako by bylo připojeno na záložní zdroj (UPS). Čip AXP209 sice zvyšuje složitost zařízení, ale díky němu je možno pouze dokoupením baterie lehce zařídit zálohování napájení, a to včetně zajišťování informací o stavu baterie.

Banan Pi R1 obsahuje konektor pro baterii, který ale není příliš vhodně umístěn. Jestli je dostatečně proudově dimenzován, je otázkou. Rozhodně doporučuji použít k baterii dostatečně dimenzované vodiče, pak nebude problém s úbytkem napětí na tenkých vodičích. Problém tohoto druhu jsem zažil u Touch Booku, kde tenké vodiče k bateriím bylo nutné pro dobrou funkčnost nahradit silnějším.

Čip AXP209 také obsahuje hodiny reálného času (RTC), které je možno zálohovat baterií. Běžně u těchto zařízení RTC chybí a pak člověka překvapí, když se objevují problémy způsobené vynulováním času po vypnutí počítače. U Banana Pi R1 se vám to stávat nebude, pokud hodinám doplníte baterii. Přímo na desce jsou pro baterii připraveny pájecí plošky.

Dle schématu Banana Pi jsou výstupy pro baterii zálohující napájení RTC a napájecí baterii propojené. Dle proměření na Banana Pi R1 propojené nejsou, takže je možno použít samostatnou baterii pro zálohování napájení RTC a pro napájení.

Podrobná dokumentace k čipu AXP209 je dostupná na internetu.

Protože je napájení řešeno takto sofistikovaně, není možné přivést napájení na 26pinový konektor, jako se to dělá u RPi. Počítač je potřeba napájet pouze přes micro USB konektor. Krajní micro USB konektor slouží pouze pro napájení. Druhý micro USB konektor podporuje standard USB OTG a lze jím také počítač napájet.

Disk

Počítač je možno provozovat i bez disku, ale SATA rozhraní pro disk je právě jeho velkou předností. Po připojením disku je potřeba počítat s nárůstem celkové spotřeby zařízení!

Je možné použít i 3,5" disk, ale je potřeba zdroj i s 12V napájecí větví a samozřejmě SATA kabel. Dalším vylepšením může být připojení SATA port multiplieru, který umožní připojit více disků přes jeden SATA port. Z připojených disků se pak může vytvořit RAID. Je však potřeba počítat s tím, že již samotný SATA port multiplier značně zvýší celkovou spotřebu.

Běžné 3,5" disky mají tu výhodu, že se s nimi dá dosáhnout vetší kapacity a často se nějaký nevyužití válí v šuplíku. Nevýhodou je, že k nim není možné využít napájení z B-Pi-R1 a tím pádem ani zálohování napájení z Li-pol baterie. Osobně jsem se rozhodl pro začátek použít právě 3,5", čímž jsem se vyhnul některým počátečním problémům… Teprve později jsem přešel na malý 2,5" disk.

Reálné poznatky se zdroji

Zkoušel jsem několik zdrojů a nejednalo se o obyčejné USB nabíječky. Bohužel ne vždy to dopadlo podle očekávání.

Zdroj k externímu disku 12V/2A, 5V/2A

S tímto zdrojem sice počítač Banana Pi R1 zdánlivě fungoval, ale přestože každá větev byla zatížena jen na 50 %, nebylo to dobré. Obvykle při zátěži zlobila ATA komunikace.

Malý průmyslový zdroj 5V/4A,12V/2A

I přes dobré parametry na štítku byl absolutně nepoužitelný.

Robustní průmyslový zdroj 5V/5A, 12V/1,25A

Opět počítač zdánlivě fungoval, ale při delším běhu na tento zdroj byl počítač nestabilní.

PC AT zdroj 250W

OK

Zdroj od telefonu Openmoko Neo FreeRunner 5V/2A (model A10P1–05MP)

OK

Zdroj od Netbooku/Tabletu AI TouchBook 5V/3,5A (model KWT-1205A03

Zdroj má kvalitní výstupní kabel, což ukazuje na dobré zpracování. Zdroj se dá bez problému otevřít, vyndat a případně použít kabely s jinými konektory… Podle modelového označení KWT-1205A03 se dá najít na internetu a i koupit, jen se v dokumentaci uvádí nikoli 3,5 A, ale 3 A výstupní proud při 5 V.

Pro začátek a vyzkoušení různých možností je dobrou a rychlou volbou použít zdroj ze starého počítače. Například hodně starý typ AT, který se i jednoduše zapíná a vypíná. Zajistí se tak kvalitní vstupní napětí a možnost napájet disk přímo. Jen je potřeba udělat redukci pro napájecí kabel micro USB.

Další problémy s napájením může dělat samotný přívod do micro USB konektoru. Běžné USB kabely nejsou dělané na tak velké proudy a levné kabely mají opravdu tenké vodiče, na kterých při vyšších proudech vznikají znatelné ztráty. Další problém přinášejí napájecí konektory, obzvláště micro USB konektor, který nebyl na přenos takového množství energie plánován.

Kvalitu USB kabelu lze zjistit přestřižením, nedestruktivním způsobem je proměření se zátěží. Tyto potenciální problémy lze úplně vyloučit jen připájením dobře dimenzovaných vodičů přímo na desku plošných spojů.

Napájení se zálohováním

Podmínkou dobře fungujícího serveru je samozřejmě zálohování napájení. S počítačem jako je Banana Pi můžeme sáhnout po několika různých variantách.

Záložní zdroj

U běžných počítačů se zálohovaní napájení řeší záložním zdrojem (UPS). Jedná se o standardní řešení, kdy UPS v době výpadku elektrické sítě vyrábí síťové napětí z baterie. Takovéto řešení lze použít i u B-Pi-R1 a společně s PC zdrojem je lekce realizovatelné, ovšem je hodně předimenzované a bude mít malou účinnost. Jednoduchý princip popisuje blokové schéma na obrázku:

Zdroj s funkcí UPS

Jednou z variant, nad kterou jsem uvažoval, než jsem podrobněji prozkoumal čip AXP209, bylo použít zdroj s funkcí UPS. Na trhu se dají pořídit 12V průmyslové zdroje s funkcí UPS nebo UPS pro zabezpečovací techniku, ke kterým se připojí olověný gelový akumulátor. Často však nemají takové schopnosti hlídání baterie jako běžná UPS pro PC.

Takové řešení by mohlo mít vetší účinnost než použití běžné UPS a navíc dává možnost použití 12V napájení. Takto by bylo možné zálohovat napájení pro 3,5" disk, případně další zařízení – například síťové prvky jsou obvykle napájeny 12 V. Výhodné je takto zálohovat router, který zajišťuje připojení do internetu.

Pro Banana Pi R1 by však bylo potřeba dokoupit 5V step-down stabilizátor. Zapojení je znázorněno na druhém obrázku:

AXP209 a záložní baterie

Při běžném řešení záložního napájení se při výpadku elektrické sítě musí nízké stejnosměrné napětí z baterie přeměnit na střídavých 230 V, které se posléze zase zdroj sníží a usměrní. Je to zbytečné a neekonomické. Přitom by se dalo použít rovnou nízké stejnosměrné napětí ze zálohovací baterie. Taková sestava pak bude energeticky účinnější.

Vzhledem k tomu, že Banana Pi R1 obsahuje čip AXP209, který je schopen zajistit zálohování napájení, byl by hřích ho nevyužít. Takovéto řešení bude jednoznačně nejvýhodnější, protože napájení bude mít nejvyšší účinnost! Informace o stavu baterie lze vyčítat z čipu AXP209 obdobně jako z UPS. Další náklady na pořízení/zprovoznění představuje pouze pořízení Li-pol baterie. Výsledné zařízení tak může být kompaktní a mnohem menší a celé se dá umístit do průmyslového boxu.

Blokové schéma tohoto napájení je na následujícím obrázku:

Jedná se však jen o předpokládaný ideální stav, ke kterému jsou ještě potřeba minimálně kvalitní přívodní vodiče! Aby disk vůbec mohl fungovat, je potřeba upravit konfiguraci napájení, jinak je na 5V napájecí větvi nedostatečné napětí a disk se neroztočí.

Zásadní a ještě nedořešený problém je, že při přepnutí napájení na baterii není na 5V napájecí větvi dostatečné napětí. Předpokládám, že se to také vyřeší opravou konfigurace napájení… Nicméně pokud je systém na SD kartě, počítač bez problému pracuje dál.

Celkové vlastnosti bude ovlivňovat i použitá baterie a její přívodní vodiče. Je potřeba vzít v úvahu i dobíjení baterie a podle toho dimenzovat napájecí zdroj na větší odběr.

Měření spotřeby

První reálné měření ukázalo, že Banana Pi R1 je velmi úsporné. Orientačně změřená spotřeba počítače je 4 W a 7,5 W při zápisu na SSD disk. Celková spotřeba sestavy se odvíjí od účinnosti zdroje. Při použití PC AT zdroje vzhledem k ne-optimalizaci napájení byla spotřeba cca 50 W. Se zdrojem k externím diskům se spotřeba pohybovala v rozmezí 20 – 25 W. Se zdroje od Touch Booku se spotřeba Banana Pi pohybovala mezi 13 a 20 W. Při použití UPS je potřeba ještě připočíst dalších pár wattů.

S takto malou spotřebou, navíc když počítač zastane funkci routeru a WiFi AP, dokáže skutečně uspořit znatelné finanční náklady za elektřinu.

Nyní když je zajištěno kvalitní napájení a rozmyšleny požadavky na nařízení, je možno přistoupit k instalaci a konfiguraci.