創(chuàng)建一個面包板電源解決方案：將任何USB-PD充電器轉(zhuǎn)換為精密電源
在做電子實驗時，如何給面包板供電?大多數(shù)人使用電池、電源適配器或穩(wěn)壓電源，但每種都有明顯的缺點。電池是一次性的，而且隨著時間的推移會變得昂貴。電源適配器提供固定電壓，沒有調(diào)節(jié)能力。穩(wěn)壓電源體積龐大，不適合便攜式工作。
我想創(chuàng)建一個更方便的面包板電源解決方案，可以很容易地在任何地方使用。如今，USB已經(jīng)發(fā)展到支持USB Power Delivery (PD)規(guī)范，可實現(xiàn)高達(dá)100W的功率輸出。此外，支持?jǐn)U展功率范圍(EPR)的USB-PD充電器可以提供高達(dá)48V/240W的電壓。USB-PD充電器非常緊湊，價格實惠，并且廣泛使用。我認(rèn)為使用這些USB-PD充電器創(chuàng)建面包板電源將是簡單方便的。
視覺上
用于面包板的直流電源單元的設(shè)想是創(chuàng)建一個緊湊，智能的配電系統(tǒng)，可以：
?彌合USB-PD源和面包板開發(fā)需求之間的差距
?提供從0V到30V*1的精確電壓控制，分辨率為10mV
?當(dāng)電源支持時，提供高達(dá)5A的高電流能力
?提供實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄功能
?通過全面的保護系統(tǒng)維護安全
?通過現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)連接實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控
*1需要一個30V epr兼容的USB-PD充電器。
它是如何工作的
硬件基礎(chǔ)
ESP32 - s3 - room -1- n16r8：系統(tǒng)的智能心臟，提供：
?WiFi連接遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制
?強大的實時PID控制處理能力
?豐富的外設(shè)支持傳感器和顯示器
?低功耗，高效運行
AP33772S USB-PD控制器：電源協(xié)商專家：
?使用PD協(xié)議與USB-PD源通信
?支持標(biāo)準(zhǔn)功率范圍(SPR)和擴展功率范圍(EPR)
?從連接的源中枚舉可用的電源數(shù)據(jù)對象(pdo)
?提供全面的保護功能(UVP， OVP， OCP)
?使精確的電壓和電流要求
INA228電流傳感器：精密測量引擎提供：
?分辨率為195μV的高分辨率電流和電壓監(jiān)測
?基于分流的電流測量精度
?溫度補償漂移校正
?實時功率計算能力
SSD1331彩色OLED：用戶界面提供：
?實時顯示電壓、電流、功率、溫度
?WiFi連接狀態(tài)和電池電量指示燈
?錯誤信息和系統(tǒng)狀態(tài)
?直觀的用戶交互視覺反饋
MOSFET功率控制：有效地管理功率交付:
觸控界面創(chuàng)新
電容式觸摸界面提供直觀的控制：
?上/下觸摸：100mV步進調(diào)節(jié)電壓(長按1V步進)
?左/右觸摸：10mV級微調(diào)電壓
?中控：輸出啟用/禁用(長按)和錯誤信息清除(短按)
?校準(zhǔn)：上+下組合自動偏移校準(zhǔn)
雙輸出靈活性
系統(tǒng)支持兩種輸出配置：
?單正輸出：帶接地基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)正電壓輸出
?雙正/負(fù)輸出：分裂電壓配置提供±V/2從單一設(shè)置
**注：如果使用21V及以上電壓，輸入電壓28v及以上，差分電壓超過3V，輸出電流超過3A，則MOSFET器件處于高耗狀態(tài)，單位溫度可能上升到80攝氏度以上。請注意溫度。您可以在配置文件中設(shè)置最高溫度。默認(rèn)值是80攝氏度。如果溫度超過限制，將自動關(guān)閉輸出。我建議在21V或更高的電壓下使用小于0.7A的電流。否則，如果將輸出電壓設(shè)置為27V或更高，則溫升不是問題
**注：本機使用微控制器和USB PD控制器。這些控制器需要電源才能運行。因此，如果使用過電流，可能會被PD充電器的過電流保護關(guān)閉電源。在這種情況下，該機組不能運行，將被關(guān)閉。請使用您的PD充電器規(guī)格內(nèi)的電流**
軟件架構(gòu)
軟件組件是使用ESP-IDF框架在Rust中開發(fā)的，利用其在嵌入式系統(tǒng)中的優(yōu)勢：
先進控制系統(tǒng)
PID控制器：通過以下方式保持精確的輸出電壓：
?比例控制，即時響應(yīng)
?積分控制穩(wěn)態(tài)精度
?導(dǎo)數(shù)控制的穩(wěn)定性和超調(diào)預(yù)防
?電壓超調(diào)檢測自動復(fù)位(>設(shè)定點110%)
PDO-Aware限制：系統(tǒng)智能：
?從連接的源枚舉可用的pdo
?在配置和PDO功能之間應(yīng)用最嚴(yán)格的限制
?防止超過電源能力，同時最大限度地提高可用功率
NVS內(nèi)存管理：持久存儲能力;
?保存最后使用的電壓設(shè)置，方便
?存儲校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性跨電源周期
?在非易失性存儲中維護配置參數(shù)
數(shù)據(jù)管道
當(dāng)?shù)氐那閳?/strong>
系統(tǒng)連續(xù)：
?采樣電壓和電流在10ms的間隔響應(yīng)控制
?實時計算功耗
?監(jiān)測溫度熱保護
?在網(wǎng)絡(luò)中斷期間管理緩沖區(qū)存儲
網(wǎng)絡(luò)連接
WiFi可用時：
?將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nfluxDB時間序列數(shù)據(jù)庫
?通過web儀表板提供遠(yuǎn)程監(jiān)控功能
?支持歷史分析和趨勢監(jiān)控
?支持大型安裝的多設(shè)備監(jiān)控
智能緩沖區(qū)管理
網(wǎng)絡(luò)中斷時：
?自動存儲測量在本地內(nèi)存
?提供緩沖區(qū)使用情況的可視化反饋
?當(dāng)連接恢復(fù)時自動恢復(fù)日志記錄
?防止間歇性連接過程中數(shù)據(jù)丟失
安全和保護系統(tǒng)
多層保護
硬件保護：AP33772S內(nèi)置UVP， OVP， OCP
?軟件監(jiān)測：連續(xù)溫度和電流監(jiān)測
?用戶可配置限制：最大電流，功率和溫度設(shè)置
?PDO遵從性**：對源功能的自動限制
?緊急關(guān)機：在故障情況下立即關(guān)閉輸出
溫度管理
?實時監(jiān)控：連續(xù)溫度傳感，分辨率0.05°C
?可配置限制：用戶可設(shè)置的最高溫度閾值(默認(rèn)80°C)
?自動保護：當(dāng)溫度超過限制時，輸出關(guān)閉
?視覺反饋：溫度顯示和警告信息
原理圖
原理圖是使用Kicad創(chuàng)建的?！癝heet1”至“Sheet5”為主板和適配器板的原理圖。
Sheet1: USB PD控制器和電源調(diào)節(jié)器電路
AP33772S USB-PD控制器用于USB PD通信和電源協(xié)商。該控制器通過I2C接口與帶有電壓電平移位器的ESP32微控制器連接。
Sheet2: ESP32微控制器和SSD1331 OLED顯示電路
SSD1331彩色OLED顯示屏通過SPI接口與ESP32微控制器相連。GPIO(IO1, IO2, IO3, IO4, IO5)用于觸摸接口。只需將IO1和IO5連接到觸摸板。
Sheet3：電源路徑管理，電流傳感器和溫度傳感器電路
INA228電流傳感器用于測量電流和電壓。并聯(lián)電阻(5mΩ)接在INA228上。ESP32控制器具有用于MOSFET柵極驅(qū)動器的PWM輸出。PWM信號連接到LPF(低通濾波器)和OPAmp(運算放大器)電路進行電壓控制。OpAmp用于電壓跟隨器驅(qū)動MOSFET柵極。第一個運放的增益為11，第二個運放的增益為1.1。輸出電壓由PWM占空比控制。溫度傳感器(LM35)用于溫度測量。溫度傳感器的輸出連接到OpAmp(增益=2)，然后連接到ESP32的ADC。輸出電壓反饋到OpAmp和INA228進行電壓和電流測量。
Sheet4：單電壓輸出配置的適配器電路
Sheet5：雙電壓(正負(fù))輸出配置的適配器電路
輸出電壓由分壓器電路分成兩部分。輸出電壓為±V/2。
pcb設(shè)計
我用Kicad設(shè)計了一個定制的pcb。
主PCB由esp32 - s3 - room -1- n16r8模塊、AP33772S USB-PD控制器、INA228電流傳感器、SSD1331彩色OLED顯示屏、MOSFET功率控制電路等組成。主PCB有一個用于適配器板的連接器和一個用于USB-PD輸入的USB-C連接器。
適配器PCB有輸出連接器和電源路徑管理電路。適配器板有兩種類型。一個用于單電壓輸出配置，另一個用于雙電壓(正負(fù))輸出配置。您可以根據(jù)您的應(yīng)用選擇適配器板。主PCB和適配器PCB通過一個12針連接器連接。
單電壓輸出配置的適配器PCB
雙電壓(正、負(fù))輸出配置的適配器PCB
如何訂購PCB
設(shè)計完成后，我訂購了PCBWay來制造我的電路板。訂購板子很容易。點擊“Add Gerber File”按鈕，即可上傳Gerber文件。然后，可以選擇阻焊顏色。我選擇了啞光黑色，我喜歡這個。這塊板子只用了幾天就制造出來了。我對董事會很滿意。我認(rèn)為PCBWay的板卡價格是非常合理的。
PCBWay對所有訂單都有特別的折扣活動。有兩種類型的活動。一款是Purple Solder Mask: Purple的起價是38.43美元，10月份漲到了5美元。另一種是用于3D打印的TPU，這種材料從12.45美元起，但它將永遠(yuǎn)從7.96美元起。重量越重，折扣越大，現(xiàn)在最高可打4折。(更新10/16/2025)
組裝后，電路板是這樣的。散熱片使用導(dǎo)熱膠帶附著在mosfet的背面。
如何從代碼構(gòu)建并安裝到單元。
使用Ubuntu 22.04.3 LTS和ESP-IDF V5.4.2
先決條件
在繼續(xù)安裝之前，請確保您的系統(tǒng)符合以下要求：
?操作系統(tǒng)：基于linux的發(fā)行版
?所需軟件包：git、python3、python3-pip、gcc、build-essential、curl、pkg-config、libudev-dev、libtinfo5、clang、libclang-dev、llvm-dev、udev、libssl-dev、python3.10-venv
安裝步驟
1. 系統(tǒng)更新和軟件包安裝
使用以下命令更新系統(tǒng)并安裝必要的軟件包：
2. 生銹的安裝
安裝Rust編程語言和Cargo包管理器：
安裝后，通過查找環(huán)境激活Rust：
3. 其他工具安裝
安裝以下Rust工具：
?ldproxy
?espup
?cargo-espflash
使用以下命令：
此時(2025-07-25)，espup無法編譯。如果出現(xiàn)錯誤，請使用以下命令安裝工具鏈。
4. ESP環(huán)境設(shè)置
運行如下命令安裝和更新expressif Rust生態(tài)系統(tǒng)：
設(shè)置環(huán)境變量：
5. Udev規(guī)則配置
配置設(shè)備權(quán)限的udev規(guī)則：
6. 克隆存儲庫
克隆直流電源單元存儲庫：
7. 設(shè)置WiFi SSID、密碼等。
修改如下配置文件：‘ cfg.toml ’
您必須在您的ORG中設(shè)置以下參數(shù)：WiFi SSID，密碼，InfluxDB服務(wù)器IP地址，InfluxDB API密鑰和InfluxDB API。
您可以從InfluxDB Web控制臺獲取API Key。請參閱“如何安裝InfluxDB和配置儀表板”第3節(jié)。
8. 構(gòu)建和Flash
構(gòu)建項目：
9. 刷新固件
使用USB線將直流電源單元連接到PC。然后，刷新固件：
如果您的設(shè)備未被檢測到，請打開設(shè)備電源并在啟動過程中按“boot”按鈕。
然后重新執(zhí)行flash命令。
10. 監(jiān)控輸出
閃爍固件后，控制臺顯示引導(dǎo)消息和系統(tǒng)初始化，包括：
?WiFi連接狀態(tài)
?AP33772S USB-PD控制器初始化
?可用PDO (Power Data Object)檢測
?觸摸界面激活
?OLED顯示器初始化
如何安裝influxDB和配置Dashboard
1. 下載influxDB并安裝。
2. 配置influxDB
點擊“開始”，設(shè)置“用戶名”、“密碼”、“初始組織名”和“初始桶名”。
設(shè)置完成后，點擊“CONTINUE”。
3. 復(fù)制操作符API令牌。
您可以在瀏覽器上看到操作符API令牌。你不會再看到它了!
如果您想獲得新的API令牌，請單擊“API令牌”菜單中的“源”圖標(biāo)，然后單擊“生成API令牌”并選擇“所有訪問令牌”，單擊“保存”。
您可以看到一個新的API令牌并獲取它。
復(fù)制令牌后，單擊“CONFIGURE LATER”。
4. 導(dǎo)入Dashboard模板。
點擊“Dashboard”圖標(biāo)，從“CREATE Dashboard”菜單中選擇“Import Dashboard”。
刪除“influxdb/dc_power_station”。到“Drop a file here”，然后點擊“IMPORT json AS DASHBOARD”。
您可以在儀表板頁面上看到“直流電站”面板。
單擊這個面板，您可以看到儀表板。
如果要自定義儀表板設(shè)計，請單擊configure mark。您可以更改圖形設(shè)計。
結(jié)論
用于面包板的直流電源單元將為您的電子項目提供緊湊，智能和靈活的電源解決方案。USB-PD充電器無處不在，價格實惠，并且能夠以小的外形提供高功率。該單元可以提供精確的電壓控制，實時監(jiān)控和強大的安全功能，所有這些都可以通過WiFi遠(yuǎn)程訪問。
本文編譯自hackster.io
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