创建一个面包板电源解决方案：将任何USB-PD充电器转换为精密电源

时间：2025-10-17 16:27:44

关键字： USB-PD充电器面包板电源 ESP32

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[导读]在做电子实验时，如何给面包板供电?大多数人使用电池、电源适配器或稳压电源，但每种都有明显的缺点。电池是一次性的，而且随着时间的推移会变得昂贵。电源适配器提供固定电压，没有调节能力。稳压电源体积庞大，不适合便携式工作。

在做电子实验时，如何给面包板供电?大多数人使用电池、电源适配器或稳压电源，但每种都有明显的缺点。电池是一次性的，而且随着时间的推移会变得昂贵。电源适配器提供固定电压，没有调节能力。稳压电源体积庞大，不适合便携式工作。

我想创建一个更方便的面包板电源解决方案，可以很容易地在任何地方使用。如今，USB已经发展到支持USB Power Delivery (PD)规范，可实现高达100W的功率输出。此外，支持扩展功率范围(EPR)的USB-PD充电器可以提供高达48V/240W的电压。USB-PD充电器非常紧凑，价格实惠，并且广泛使用。我认为使用这些USB-PD充电器创建面包板电源将是简单方便的。

视觉上

用于面包板的直流电源单元的设想是创建一个紧凑，智能的配电系统，可以：

•弥合USB-PD源和面包板开发需求之间的差距

•提供从0V到30V*1的精确电压控制，分辨率为10mV

•当电源支持时，提供高达5A的高电流能力

•提供实时监控和数据记录功能

•通过全面的保护系统维护安全

•通过现代物联网连接实现远程监控

*1需要一个30V epr兼容的USB-PD充电器。

它是如何工作的

硬件基础

ESP32 - s3 - room -1- n16r8：系统的智能心脏，提供：

•WiFi连接远程监控和控制

•强大的实时PID控制处理能力

•丰富的外设支持传感器和显示器

•低功耗，高效运行

AP33772S USB-PD控制器：电源协商专家：

•使用PD协议与USB-PD源通信

•支持标准功率范围(SPR)和扩展功率范围(EPR)

•从连接的源中枚举可用的电源数据对象(pdo)

•提供全面的保护功能(UVP， OVP， OCP)

•使精确的电压和电流要求

INA228电流传感器：精密测量引擎提供：

•分辨率为195µV的高分辨率电流和电压监测

•基于分流的电流测量精度

•温度补偿漂移校正

•实时功率计算能力

SSD1331彩色OLED：用户界面提供：

•实时显示电压、电流、功率、温度

•WiFi连接状态和电池电量指示灯

•错误信息和系统状态

•直观的用户交互视觉反馈

MOSFET功率控制：有效地管理功率交付:

触控界面创新

电容式触摸界面提供直观的控制：

•上/下触摸：100mV步进调节电压(长按1V步进)

•左/右触摸：10mV级微调电压

•中控：输出启用/禁用(长按)和错误信息清除(短按)

•校准：上+下组合自动偏移校准

双输出灵活性

系统支持两种输出配置：

•单正输出：带接地基准的标准正电压输出

•双正/负输出：分裂电压配置提供±V/2从单一设置

**注：如果使用21V及以上电压，输入电压28v及以上，差分电压超过3V，输出电流超过3A，则MOSFET器件处于高耗状态，单位温度可能上升到80摄氏度以上。请注意温度。您可以在配置文件中设置最高温度。默认值是80摄氏度。如果温度超过限制，将自动关闭输出。我建议在21V或更高的电压下使用小于0.7A的电流。否则，如果将输出电压设置为27V或更高，则温升不是问题

**注：本机使用微控制器和USB PD控制器。这些控制器需要电源才能运行。因此，如果使用过电流，可能会被PD充电器的过电流保护关闭电源。在这种情况下，该机组不能运行，将被关闭。请使用您的PD充电器规格内的电流**

软件架构

软件组件是使用ESP-IDF框架在Rust中开发的，利用其在嵌入式系统中的优势：

先进控制系统

PID控制器：通过以下方式保持精确的输出电压：

•比例控制，即时响应

•积分控制稳态精度

•导数控制的稳定性和超调预防

•电压超调检测自动复位(>设定点110%)

PDO-Aware限制：系统智能：

•从连接的源枚举可用的pdo

•在配置和PDO功能之间应用最严格的限制

•防止超过电源能力，同时最大限度地提高可用功率

NVS内存管理：持久存储能力;

•保存最后使用的电压设置，方便

•存储校准数据的准确性跨电源周期

•在非易失性存储中维护配置参数

数据管道

当地的情报

系统连续：

•采样电压和电流在10ms的间隔响应控制

•实时计算功耗

•监测温度热保护

•在网络中断期间管理缓冲区存储

网络连接

WiFi可用时：

•将测量数据传输到InfluxDB时间序列数据库

•通过web仪表板提供远程监控功能

•支持历史分析和趋势监控

•支持大型安装的多设备监控

智能缓冲区管理

网络中断时：

•自动存储测量在本地内存

•提供缓冲区使用情况的可视化反馈

•当连接恢复时自动恢复日志记录

•防止间歇性连接过程中数据丢失

安全和保护系统

多层保护

硬件保护：AP33772S内置UVP， OVP， OCP

•软件监测：连续温度和电流监测

•用户可配置限制：最大电流，功率和温度设置

•PDO遵从性**：对源功能的自动限制

•紧急关机：在故障情况下立即关闭输出

温度管理

•实时监控：连续温度传感，分辨率0.05°C

•可配置限制：用户可设置的最高温度阈值(默认80°C)

•自动保护：当温度超过限制时，输出关闭

•视觉反馈：温度显示和警告信息

原理图

原理图是使用Kicad创建的。“Sheet1”至“Sheet5”为主板和适配器板的原理图。

Sheet1: USB PD控制器和电源调节器电路

AP33772S USB-PD控制器用于USB PD通信和电源协商。该控制器通过I2C接口与带有电压电平移位器的ESP32微控制器连接。

Sheet2: ESP32微控制器和SSD1331 OLED显示电路

SSD1331彩色OLED显示屏通过SPI接口与ESP32微控制器相连。GPIO(IO1, IO2, IO3, IO4, IO5)用于触摸接口。只需将IO1和IO5连接到触摸板。

Sheet3：电源路径管理，电流传感器和温度传感器电路

INA228电流传感器用于测量电流和电压。并联电阻(5mΩ)接在INA228上。ESP32控制器具有用于MOSFET栅极驱动器的PWM输出。PWM信号连接到LPF(低通滤波器)和OPAmp(运算放大器)电路进行电压控制。OpAmp用于电压跟随器驱动MOSFET栅极。第一个运放的增益为11，第二个运放的增益为1.1。输出电压由PWM占空比控制。温度传感器(LM35)用于温度测量。温度传感器的输出连接到OpAmp(增益=2)，然后连接到ESP32的ADC。输出电压反馈到OpAmp和INA228进行电压和电流测量。

Sheet4：单电压输出配置的适配器电路

Sheet5：双电压(正负)输出配置的适配器电路

输出电压由分压器电路分成两部分。输出电压为±V/2。

pcb设计

我用Kicad设计了一个定制的pcb。

主PCB由esp32 - s3 - room -1- n16r8模块、AP33772S USB-PD控制器、INA228电流传感器、SSD1331彩色OLED显示屏、MOSFET功率控制电路等组成。主PCB有一个用于适配器板的连接器和一个用于USB-PD输入的USB-C连接器。

适配器PCB有输出连接器和电源路径管理电路。适配器板有两种类型。一个用于单电压输出配置，另一个用于双电压(正负)输出配置。您可以根据您的应用选择适配器板。主PCB和适配器PCB通过一个12针连接器连接。

单电压输出配置的适配器PCB

双电压(正、负)输出配置的适配器PCB

如何订购PCB

设计完成后，我订购了PCBWay来制造我的电路板。订购板子很容易。点击“Add Gerber File”按钮，即可上传Gerber文件。然后，可以选择阻焊颜色。我选择了哑光黑色，我喜欢这个。这块板子只用了几天就制造出来了。我对董事会很满意。我认为PCBWay的板卡价格是非常合理的。

PCBWay对所有订单都有特别的折扣活动。有两种类型的活动。一款是Purple Solder Mask: Purple的起价是38.43美元，10月份涨到了5美元。另一种是用于3D打印的TPU，这种材料从12.45美元起，但它将永远从7.96美元起。重量越重，折扣越大，现在最高可打4折。(更新10/16/2025)

组装后，电路板是这样的。散热片使用导热胶带附着在mosfet的背面。