设计一款基于 ESP322 微控制器的紧凑型 USB-C PD/PPS 电源与 PD 分析仪

如今，USB-C充电器随处可见。我们大多数人都在某个抽屉里藏着一个30W、65W甚至100W的PD充电器。我们通常认为它们只是简单的手机或笔记本电脑充电器，但实际上它们是功能强大的电源设备，能够根据需求提供不同的电压输出。

这正是我开发PowerPD的灵感来源。

PowerPD 是一款基于 ESP322 微控制器、AP33772S USB-C PD PD PD 沉积控制器和 INA226 电源监测器构建的紧凑型 USB-C PD/PPS 电源供应与 PD 分析仪。其原理很简单：连接 USB-C PD PD 充电器，通过旋钮编码器选择所需电压，板载系统将自动与充电器协商该电压。同时，它可实时测量电压、电流和功率，并将所有数据显示在小型 OLED OLED 屏幕上。

PowerPDPD 支持标准的 USB-C PD 电压，如 5V、9V、12V、15V 和 20V。如果充电器支持 PPS(可编程电源)，输出电压还可进行小步调节，适用于电子设备测试、原型供电、电路调试及其他轻量级实验台电源应用。

材料

主要部件

•ESP32-WROOM-32EE 模块

•AP33772S USB-C PD 电源控制器

•INA226 电压/电流/功率监测器

•MP1584 降压转换器

•AP2204K-3.3V稳压器

•USB Type-C-C 接口

•5 mΩ 电流感应电阻

•MOSFET电源开关

•1.3英寸OLED显示屏

•旋转编码器

•按钮

•状态指示灯

•电阻、电容、电感和保护二极管等无源元件

该电路图包含AP33772S电源控制器、INA226监控器、MP1584降压转换器、3.3V稳压器、MOSFET输出级、ESP32、OLED显示屏接口、旋转编码器、开关以及编程引脚。

所需工具

•USB-C PD PD 充电器(支持至少 9V PD)

•3.3V USB转UART转换器(CP2102、CH340 或 FT232RL)

•两个小型按钮，用于BOOT和EN

•跳线

•万用表

第一步：工作原理

在进入硬件之前，先了解PowerPD的工作原理会有所帮助。

当连接USB-C PD充电器时，它会从默认的5V输出开始。AP33772S PD控制器随后通过USB-C CC线路读取充电器支持的电压电平。ESP32选择所需的电压或PPS设置，并通知AP33772S向充电器请求该设置。

当充电器切换到选定的电压后，电源会通过一个5 mΩ的分流电阻和MOSFET输出开关，再到达输出端子。INA226实时监测电压、电流和功率，并通过I²C将数据发送给ESP32。

ESP322 可更新 OLED OLED 显示屏，处理旋转编码器和按钮，控制输出开关，并可通过 Wi-Fi-Fi 将实时数据发送到 Adafruit IO。

机载降压转换器和3.3V稳压器直接从同一USB-C PD输入电压为ESP32及所有逻辑电路供电。

第二步：电路概览

USB-C接口用于传输电源和通信线路。AP33772S与充电器通信，并请求选择的PD或PPS电压，例如5V、9V、12V、15V或20V。

电流与功率监控

5 mΩΩ 并联电阻和 INA226 实时监测输出电压、电流和功率。测量数据通过 I²C 发送到 ESP32。

输出切换

MOSFET 用作电子输出开关。ESP322 可在故障情况下安全地将输出开启或关闭，并切断负载。

内部电源

MP1584降压转换器将USB-C输入电压降低，AP2204K稳压器则为ESP32及其他逻辑电路提供干净的3.3V电源。

ESP32 控制器

ESP32 控制整个系统，负责处理电源协商、读取传感器数据、更新 OLED OLED 显示屏、管理旋转编码器和按钮，并可选择通过 Wi-Fi-Fi 将数据发送到 Adafruit IO。

用户界面

该板配备了一个1.3英寸的SH1106 OLED显示屏、一个旋转编码器，以及用于菜单导航、电压选择和输出控制的按钮。

第三步：USB-C PD、PPS 和 AVSSS 基础知识

USB-C PD充电器可根据其支持的规格提供多种固定电压等级。SPR(标准功率范围)中的标准配置如下：

•5V (default for all USB-C connections)

•9V

•12V

•15V

•20V

这些固定电平覆盖了大多数应用场景，但电子设备工作往往需要介于两者之间的电压——例如两节锂聚合物电池需要8.4V，定制LED驱动器需要13.2V，或特定稳压器测试需要10V。这时PPS就派上用场了。

PPS — — 可编程电源(Programmable Power Supply)使充电器能够以100毫伏的步长连续调节输出电压，而无需在固定电平之间跳变。电流限制也可以50毫安的步长设置。这使得性能良好的USB-C充电器在轻量级工作时可接近小型台式电源。PPS是USB PD 3.0规范的一部分，许多现代充电器都支持该功能，但并非全部产品都支持，因此务必查阅充电器的规格说明书或标签信息。

EPR — — 扩展电源范围 新款充电器还支持 EPR，可提供更高的固定电压：28V、36V 和 48V。这些电压适用于显示器、工作站和游戏笔记本等高功率设备。目前的固件不支持 EPR，因此请勿尝试请求这些电压。

AVS — — 可调电压电源

AVS 是 USB PD 的一项新功能，可在高功率水平下提供精细的电压控制。它与 PPS 类似，但专为更高电压、更高功率的应用而设计。目前 PowerPDPD 并未使用 AVS。

在请求电压前，请务必确认充电器实际支持的电压。AP33772S 仅会协商充电器所宣传的电压，不会强制使用充电器不提供的电压。但为了安全起见，建议从5V开始逐步升高，尤其是在测试新负载时。

第四步：PCB设计与组装

我的朋友拉宾德拉在EasyEDA中设计了PowerPD PCB。

AP33772S USB-C PD 控制器被放置在靠近 USB Type-C-C 连接器的位置，以保持 CC CC CC 轨迹短而整洁。INA226 位于 5 mΩΩ 并联电阻旁边，以便通过合适的开尔文传感实现精确的电流测量。

由于大部分重要部件都是细间距SMD元件，手工焊接并不实用。AP33772S采用QFN封装，INA226是小型SOT-23器件，而USB-C接口的焊盘非常紧密。因此，我决定从一开始就采用专业的PCBA，并使用NextPCB进行制造和组装。

与NextPCB的订购流程非常简单，我通过他们的在线系统上传了Gerber文件、物料清单(BOM)以及拾取贴装文件。

NextPCBBB 负责了元器件采购和PCB组装，包括ESP32模块、AP33772S、INA226、USB-C接口、MP1584电源部分、AP2204K-3.3V稳压器、MOSFET输出开关以及所有小型无源元件。

由NextPCB赞助

本项目在可靠多层PCB制造商NextPCB的支持下成功完成。凭借在PCB制造和组装领域超过15年的经验，NextPCB为全球的创客和专业人士提供高品质、可靠的PCB解决方案。

HQDFM 是一款免费的先进在线 PCB Gerber 文件查看器，具备全面的制造设计(DFM)分析功能。

发货前，他们还发来了组装好的电路板的照片，让我可以直观地检查元件的安装位置。这非常有用，因为在我电路板离开工厂之前，就能确认零件是否正确组装。

当电路板到达时，几乎没什么可做的了。我将USB转UART转换器连接到编程引脚上，刷入了固件，电路板就准备好进行测试了。无需返工，没有缺少的零件，也没有冷焊接头。

如果你想自己制作PowerPD，Gerber文件、物料清单(BOM)和原理图均可在GitHub仓库中获取。你可以直接上传这些文件到NextPCB，然后以相同的方式进行电路板的制造与组装。

第五步：固件概览

对于AP33772S USB-C PD电源控制器，我使用了自己定制的Arduino库。

要使用该代码，请从仓库下载以下文件：

•AP33772S.h

•AP33772S.cpp

•PowerPD.ino

将这三个文件都放在同一个Arduino代码文件夹中。这一点很重要，因为主的PowerPD.ino文件使用了AP33772S库：

如果 .h 和 .cpp 文件不在同一个文件夹中，Arduino IDE IDE 将无法正确编译项目。

上传前，请安装所需的Arduino库：

•U8g2

•INA226

•PubSubClient

固件控制整个PowerPD系统。它通过USB-C PD/PPS协商与AP33772S通信，读取INA226的电压和电流数据，更新SH1106 OLED显示屏，处理旋转编码器和按钮，控制MOSFET输出开关，并可选地支持Wi-Fi/MQTT监控功能。

代码中使用的主引脚配置如下：

•I2C SDA GPIO21

•I2C SCL GPIO22

•PD_INT GPIO32

•MOSFET CG GPIO25

•Rotary CLK GPIO5

•Rotary DT GPIO18

•Rotary SW GPIO19

•SW1 GPIO17

•SW2 GPIO16

•LED GPIO4

在使用该板之前，最好了解其基本控制方法：

•旋转编码器 更改选定值

•短按编码器，移动到下一个字段

•长按编码器 应用设置 / / 打开菜单 / / 切换输出

•SW111 短按按 切换电压和电流设置

•SW111 长按按 打开菜单

•SW222 短按开关，开启/关闭输出

•SW222 长按打开会话界面

启动时，ESP32 会初始化显示屏，通过 I2CCC 检测 AP33772S 和 INA226，读取充电器中可用的 PD PD 配置文件，然后显示主界面。用户可在此界面选择固定的 PD 电压或 PPS 设置，并在准备就绪后开启输出。

我已将完整的源代码粘贴在下方，以便直接查看或复制。代码包含PD协商、测量、显示界面、安全检查、输出切换以及菜单系统。

第6步：Adafruit IO IO 配置

PowerPDPD 还可以将实时数据发送到 Adafruit IO，这样我就能通过网页仪表盘来监控电路板。对于这个项目，我保持了仪表盘的简洁，并只使用真正重要的数值：

•电压

•电流

•电力

•温度

•输出

这足以查看电源的实时状态，而无需让仪表盘被不必要的数据填满。

1. 打开 Adafruit IO

首先，前往 Adafruit IO IO 并登录您的账户。

登录后，您将看到 Adafruit IO 的概览页面。由于我使用的是基础套餐，最多可以创建 10 个数据源，这足以满足本项目的需求。

2. 创建信息源

前往：

订阅源 → 新订阅源

逐个创建这五个信息流：

•电压

•电流

•电力

•温度

•输出

我使用了简短的饲料名称，因为这些名称在ESP32代码中也用到了。

对于描述，我使用了像这样的简单文字：

•由PowerPD测量的电压实时输出电压

•当前由PowerPD测量的负载电流

•实时输出功率

•温度板 / PD控制器温度

•输出状态，0 = 关闭，1 = 开启

3. 创建仪表板

创建订阅源后，请前往：

•仪表板 → 新建仪表板

我为PowerPD监控创建了一个仪表盘。该仪表盘将实时显示电压、电流、功率、温度和输出状态。

仪表板名称示例：

•PowerPDPD 监控器

步骤7：上传固件

文件夹设置

创建一个名为 PowerPD 的文件夹，并将三个文件放入其中：

•PowerPD/

•PowerPD.ino

•AP33772S.h

•AP33772S.cpp

在 Arduino IDE 中打开 PowerPD.ino 文件。在编译之前，请在文件顶部更新您的 Wi-Fi 和 Adafruit IO IO 认证信息：

如果你没有使用 Adafruit IO，可以将这些内容留作占位文本。本地显示和控制功能仍可正常使用。

连接USB转UART转换器

使用 3.3V 逻辑电平的 USB USB USB 转 UART UART UART 转换器。5V 适配器会损坏 ESP32。

USB转UART电源PD编程接口

•发送发送 接收

•RX TX

•GND GND

•3V3 3V3

第8步：USB-C PD充电器和数据线

您使用PowerPD时的充电器和数据线，比您想象的更为重要。

任何USB-C PD充电器默认从5V开始。AP33772S芯片通过CC线路与充电器通信，以协商更高的电压，但只能请求充电器实际公布的电压值。

在使用任何充电器之前，请检查背面的标签。标签上应列出支持的电压和电流规格，例如：5V/3A、9V/3A、12V/3A、15V/3A、20V/3A。如果某个充电器标称功率为65W，但标签上仅显示5V/3A，那么无论你请求多少电压，它都无法提供20V输出。

如果你想测试PPS，请查看充电器上或其规格中是否印有“PPS”字样。并非所有高瓦数充电器都支持该功能。

线缆也很重要。劣质的USB-C线缆可能导致电压下降、连接不稳定或PD协商失败，即使主板运行正常，也可能看起来有故障。大多数测试情况下，任何额定3A且支持PD的USB-C转USB-C线缆都可接受。对于接近20V和5A的高功率负载，请使用带有e-mark认证的5A线缆。

避免使用USB-A转USB-C适配器、磁性连接器和未知的延长线。保持简单：

在连接任何负载之前，务必先用万用表检查输出电压。这只需30秒，可避免许多潜在的误解。

第9步：首次通电

使用优质线缆连接 USB-C PD 充电器。目前不要连接任何设备到 V_OUT 接口。

当充电器连接时：

•状态指示灯应亮起——这确认了VBUS已存在

•OLED应在几秒内显示PowerPD的启动界面

•主板读取充电器提供的可用PD配置文件

•输出保持关闭

如果OLED屏幕保持空白，请检查固件上传情况。如果LED灯未亮，请检查USB-C数据线和充电器。

启动界面出现后，以115200波特率打开串行监视器，并确认AP33772S和INA226均已检测到。然后检查OLED上是否显示至少5V的可选配置文件。

此时电路板运行在5V(默认值)，输出处于关闭状态，V_OUT未连接任何设备。这正是进行电压测试前的正确状态。

第10步：CAD设计

我的朋友穆凯什使用 Autodesk Fusion 设计了完整的 PowerPD 外壳，重点在于紧凑的尺寸、简洁的外观以及围绕定制 PCB 的便捷组装。

整个设计由四个主要部分组成：

1. 前面板：

•这是机箱的顶部盖板/前部区域。

•包含OLED显示屏的开孔

•用于固定旋转编码器轴和按钮

•提供USB-C接口和输出端子的开口

•作为整个外壳的主要顶盖

2. 主住房：

•底部外壳可牢固地固定已制作好的PowerPD电路板。

•根据精确的PCB尺寸设计

•包含PCB安装支架和螺丝孔

•提供USB-C接口和编程引脚的接入

•保护内部电子元件并确保其正确对齐

3. 旋转编码器旋钮：

•专为PowerPD定制的旋转编码器旋钮。

•调节电压和浏览菜单时握感舒适

•紧凑设计，与机箱风格相匹配

•直接压入式安装于旋转编码器轴上

4. PCB安装布局：

•该外壳设计使得组装好的PCB可直接安装在内部，无需额外的支架或复杂的布线。

•OLED 头部已与前面板窗口对齐

•旋转编码器位置与旋钮开口一致

•紧凑的内部布局使机身结构简洁整洁

我已附上：

•原始的Fusion 360设计文件

•所有可打印部件的STL文件

你可以：

•在 Fusion 360 中查看和修改 CAD 模型

•如有需要，请调整外壳尺寸

•直接切片并3D打印提供的STL文件，用于您的自行组装

电压测试

•在电源开启且输出禁用的情况下，我使用旋转编码器切换了可用的USB-C PD电压配置文件。OLED显示屏显示了充电器支持的配置文件，包括5V、9V、15V和20V。

•选择电压后，我打开了输出，并使用福禄克万用表验证了实际的V_OUT。测得的电压与OLED显示值非常接近：

•5V 电平测量值约为 4.98V

•16V PPS 设置测量值约为 15.96V

•20V 电位测量值约为 20.07V

这证实了AP33772S已正确协商选定的PD配置文件，并且INA226电压监测已得到适当校准。

我还通过旋转编码器选择了可调电压电平来测试PPS模式。输出电压变化正确，万用表读数与OLED显示屏上显示的设定值一致。

第12步：负载测试

在确认电压曲线正常工作后，我将几个真实负载连接到PowerPD输出端进行测试。我没有使用电子负载，而是用一个12V的冷却风扇和一个由选定的USB-C PD电压供电的高功率BLDC电机来测试电路板。

开启输出后，OLED显示屏实时显示电压、电流和计算出的功率。Adafruit IO仪表板也通过Wi-Fi无线更新，可远程显示相同的实时电压、电流、功率和温度数据。

PD分析模式用于监控充电器的协商过程。OLED可直接显示从连接的USB-C充电器获取的检测到的PD曲线、主动电压、PPS状态以及实时输出信息。下方附有GIF图，展示了实时PD协商和分析界面的实际运行效果。

在确认电压曲线正常工作后，我将几个真实负载连接到PowerPD输出端进行测试。我没有使用电子负载，而是用一个12V冷却风扇和一个由选定的USB-C PD电压供电的高功率BLDC电机来测试电路板。当输出开启时，OLED显示屏实时显示电压、电流和计算出的功率。Adafruit IO仪表板也通过Wi-Fi无线更新，远程显示相同的实时电压、电流、功率和温度数据。我还添加了一个内置的PD分析模式，用于监控充电器的协商过程。OLED可直接显示从连接的USB-C充电器检测到的PD曲线、当前电压、PPS状态以及实时输出信息。

本文编译自hackster.io