面包芯语

惊艳！看大神怎么手搓USB充电器

原创 电子工程世界 2024-05-20 07:04
EPC专家实战拆解：电机能效优化技巧 TOLG 技术采用超紧凑的海鸥翼式引脚设计

最近几个月，版主dcexpert在EEWorld论坛发起了一次USB充电器DIY的挑战，并发帖全程进行记录，最终实现了非常惊艳的效果。以下将放出全程记录，供网友参考。（全过程可在dcexpert的动态中查看：http://www.eeworld.com.cn/ajTebL8）

电子工程世界（ID：EEWorldbbs）丨出品

初步计划 

 

DIY目的是尽量利用现成和容易购买的模块、开发板、元件等，用较低成本和简单步骤制作一个多口USB充电器（可以给手机、平板充电），可以通过USB或者网络查看充电状态和历史记录，分析电池容量。
在获得一个具有较强实用性充电器的同时，练习手工制作、嵌入式编程、网页编程、PC编程，在DIY过程中还可以交流和分享各种经验、技巧、展示成果。 
我给出一个简单的参考方案，包括需要使用到的模块、开发板、传感器、DIY步骤等，大家可以根据自己的需要和想法，发挥各种创意，修改方案，替换元件。软件方面请 wangerxian 进行整体负责，如果在某方面有专长的网友也欢迎提出。
DIY活动是大家因为爱好而自愿发起和参与，没有任何强制要求和责任担保，DIY过程中需要的各种材料也是自费购买。DIY过程产生的各种文档、成果属于全部参与网友共有，最终文档将放在github/gitee上开源分享。一旦参与就代表同意以上要求。

 系统结构 


整个系统由多个部分组成，每个部分可以使用不同的模块、器件。通常每个部分都有多种选择，我会给出一个参考（推荐）器件（后续帖子逐步介绍）也可以使用其它器件替代，甚至可以自己设计。如果觉得功能不能满足或者有更好方式，也欢迎提出来。 
  
  • 快充模块实现AC220转USB，提供5V/9V/12V等电压（与快充协议有关，不同快充模块功能会有差异），通常一个模块至少提供1A1C。
  • MCU通过电阻、电流传感器和温度传感器分别采集快充模块的电压、电流、温度。
  • WS2812用于显示充电状态，比如用不同颜色或频率代表不同功率和电压。
  • OLED可以显示各种参数、状态等数据。
  • 通过触摸键切换OLED显示内容。
  • RTC模块用于断电时保存时间。
  • 蜂鸣器可以用不同声音提示充电结束、发生故障、整点报时等。
  • 小风扇可以用于散热，当充电功率较大温度超过阈值后，启动风扇，低于阈值后延时停止。
 

 器件选型：快充模块 


先选择核心器件：快充模块。本来预备推荐上次我测试过的这个型号它有2A1C三个输出，没想到今天它突然下架了。 
不过也没关系，类似的模块还有不少（不限于这里推荐的），价格也很低。有些模块是库存的，但也有的是质量不合格退货的，因此选择时尽量找评价好一些的，避免出问题。
1. 18W，一个typec口的快充模块，价格 ￥0.8。
2. 5V3.4A快充模块，1A1C，￥1.6
3. 4A1C快充模块，￥2.5. 
这些模块功能类似，通常都只支持18W12V快充。初级输出通常在12V，通过一个DC降压到5V给USB A口供电（大部分A口只支持苹果的5V2.4A快充，不支持其它协议），C口一般使用类似下图的小模块（有好几种型号，使用了IP2818、WT6636等专用USB快充芯片）实现多协议快充检测。 

 器件选型：MCU 


因为预备使用 web 查看功能，因此需要选择带有 wifi 功能的 mcu（开发板）。从性价比和开发软件考虑，esp32是比较合适的选择，下面给出两个参考选择。 
合宙 esp32-c3，￥9.9，带有wifi、蓝牙BLE，6路ADC 
esp32-s2 mini，￥11（有带PSRAM和不带PSRAM版本，带PSRAM的贵1元），20路ADC，有wifi无蓝牙，有触摸键 
如果需要蓝牙功能，可以选择esp32-c3；如果需要触摸键、更多ADC和GPIO，就选择esp32-s2。此外esp32-s2主频更高一点（240MHz），带有PSRAM的版本对需要更多RAM的应用特别是web应用时也有优势。 
有的网友希望自己画PCB做板，我从digikey上选了几种esp32模块，给大家参考
ESP32-C3-MINI-1-N4-A，¥16.75 
ESP32-S2-MINI-2-N4R2，￥20.62
ESP32-H2-MINI-1-N4，￥17 

 器件选择：其它 

 

ACS712ELCTR，电流传感器，￥3.18。
PCF8563时钟模块，￥2.7。
一位WS2812模块，￥0.4。 
温度传感器，NTC，￥0.1。
2芯电源线，￥1。 
 2510风扇，￥3。 
又买了几种快充模块。
上周开始采购相关器件，昨天基本到齐了，可以准备开工了。

 改进小台灯，增加USB充电功能 


USB充电器还没开工，先改进了一个小台灯，给它增加了USB充电模块。
这个小台灯是购买元件时一起买的，样式比较可爱。原来是小铅酸电池，用阻容方式降压充电，这也是常用的低成本方式。台灯里面的铅酸电池已经坏了，就替换为两节18650电池，使用一个充电宝的板子充电，加上一个快充模块，就变成了一个带USB充电功能的台灯，这也算是一种USB充电器的用法吧（看大家还能想出多少其它用法）。
修改的时候没有拍照，因为装的时候有点难装，担心拆开后又要花很多时间装回去，所以就先看看修改后的样子： 
DIY的时候照个亮，效果不错。
插入220V电源后，快充模块的指示灯效果： 
充电时的效果：

 讨论布局 


如果有其它外壳或用3D打印外壳的网友，可以按自己想法设计。
我预备用一个透明磨砂的塑料笔盒做外壳（也是想省事，偷点懒），布局就围绕这个考虑。笔盒分两格，左边小的放MCU和OLED，右边大的放三个快充模块和其它元件。
电流传感器预备将比较高的连接器拆掉，这样就可以放到快充模块下面去。
220V电源线从后面穿孔进来。
风扇是可选的，不一定装，但是先把位置留出来。 

 第一版MCU板和传感器板 


周末用LCEDA画了充电器的原理图和PCB，本着尽量简单的方式，只使用较少的元件，PCB的外形也是按照外壳的大小设定。先做一版，看看效果，如果有问题在调整。 
整体上分为两种PCB，一个是MCU部分，一个是传感器部分。MCU部分包括了三路传感器检测信号的简单处理，以及OLED、RTC接口，蜂鸣器WS2812等部分，预留了两个GPIO作为触摸按键。
传感器部分包括电压、电流、温度检测，以及一个可选的5V DC/DC模块。每路充电器模块一个传感器，多路就用多个。

 DIY工具讨论 

DIY时总是需要使用到一些工具，下面是我常用的几个工具，欢迎大家一起补充和分享更多好用的工具。
斜口钳和电工刀。斜口钳用来剪电线、电阻脚很方便，电工刀可以切割外壳、PCB走线。 
热熔胶也是手工制作中常用的工具，可以固定一些小零件。 
电动螺丝刀也是非常有用的工具，可以用来上螺丝、钻孔。这个型号不太出名，价格便宜（当时20多），结实耐用，已经用了好几年了。
配上一些常用的披头、钻头、磨头等，基本就够用了。披头、钻头等可以用淘宝签到红包买，经常可以做到1元内（甚至零元）。 

 PCB做好了 

 

刚刚收到JLC打样的PCB，为了和MCU板颜色一致，用了紫色。一般是免费打样5块，这次居然每种都发了8块。
之所以每个充电模块一个小板，一个是为了好安装，可以让传感器更靠近充电模块，在就是免费打样有尺寸限制。

 快充模块测试 


在安装前，先测试一下快充模块，避免DIY时出问题，再换就麻烦了。
选择的3个快充模块，两个3口一个5口，加起来有11个充电口，一般情况都够用了，其中两个带有type-c。 
测试的方法也很简单，就是先单独通电，并测试一下输出功率。使用一个2芯的电源插头，焊接到快充模块就行。
因为有AC220高压，所以测试时要注意安全，正好用PCB打样的塑料袋（比较厚实）包裹一下做简单的防护，将USB部分露出来方便测试。塑料袋反面还有透明胶带，将模块粘到塑料袋上，避免测试时模块不小心滑出来。
通电后，指示灯亮起，应该问题就不大了。先用一个USB灯做负载，LED灯也正常亮。
在用USB测试仪，测一下充电功率，A口的输出是5V2A，算正常。
换到C口，输出是9V0.9A，比A口还低一点，估计是快充模块或者USB线问题，也算正常吧。
再测一下纹波，大概40mv，算不错了。这时电流也上来了，看来快充功能也没大问题。
再测试剩下的两个模块，运气还不错，都没问题。可以开始准备下一步DIY了。 

 连接电流传感器 

最近事情有点多，进度比较慢，今天抽空把电流检测部分焊接起来。快充模块上，没有给出电流检测信号，为了测电流，需要将使用应用的检测电路。测量电流一般使用霍尔传感器或者电流放大器，这里使用了ACS712ELCTR霍尔传感器，它是一个双向电流检测芯片，可以测量 ±5A/±20A/±30A电流，这里功率不大，使用±5A型号正好。
为了检测电流，需要在快充模块上找出合适的信号连接点。如果每路USB都单独检测可以做到最细致检测，但是会增加复杂性，需要更多飞线。最后就决定这次只采集每个模块的总电流。快充模块正反面如图：
总电流可以从电感处取信号，因此需要在电感部分串联霍尔传感器。为了尽量不破坏PCB，可以将电感的一个引脚焊下来，然后飞线连接。电感的引脚一般都打过胶，需要先刮掉才能焊接。
然后飞线连接起来。 

 安装主控板和挖USB孔 

先安装主控板部分，在安装前，先将信号线引出，避免安装后不好焊接。
用了不同颜色的线代表不同的信号，方便区分。
将信号线从先打好的孔中穿过去，等安装快充模块时在连接起来。
为了方便usb通信，在主控板的type-c位置，画好线，然后打孔，再用小刀挖成usb的形状。四周还打了一些小孔（1mm），是为了让蜂鸣器的声音可以传出来。 
这种塑料韧性很好，挖起来很费劲，各种工具用上，总算挖出来了，就是不够好看。 
连接USB线，确认可以正常使用，剩下的明天再说了。

 快充模块“增高” 

因为快充模块的高度比盒子低，如果直接安装，就会陷下去一块，既不好看也不方便，因此就要把模块垫高一点。量了一下，大概需要6-7mm左右（手工测量有一点误差），正好手头上有6mm的铜螺柱，就用上了。
将螺柱固定到模块上，钻孔是最牢固的做法。但是模块上布局非常紧凑，空余位置很少，此外还有高压部分，因此就不适合打孔了。找了一下，百宝箱里还有过年贴对联剩下的双面胶，正好可以用上。将它剪成小块使用。
螺柱在粘到双面胶上，双面胶也可以起到一定绝缘左右。
螺柱和双面胶接触面积较小，这样强度有点不足，容易脱落，在加一点热熔胶，基本就没问题了。 

  挖USB孔 

在组装模块前，还需要将USB口的孔挖出来，等模块装进去后在挖，就不太方便，容易将导线弄断了。
先将模块放进去，在对应位置用铅笔标出USB的位置。透明的外壳这点很方便，不会画歪了。
然后用电动螺丝刀和1mm钻头，先钻一排小孔，注意钻孔时不要超出画线区。宁可先挖小一点，孔小了还可以扩大，挖大了就没办法缩小了。
再用小刀沿着打孔位置，挖出方形孔，先不要着急把孔挖大。
在对着模块，修正孔的大小，逐步完成每个USB开孔。

用同样方式，完成其它模块的USB开孔。

这个笔盒厚度有2mm，给开孔带来不少麻烦，比较费劲，小刀的刀尖都断了几次，感觉比焊接麻烦多了。如果有3D打印的网友可以试试自己设计一个外壳，或者TB上在卖亚克力的开孔。

 组装 

进度拖了好久，趁着周末，抓紧时间把模块组装起来。
把各传感器的线都连起来。
将线整理好，OLED用双面胶固定到上面板。 
看看孔位是否合适。
打孔，安装立柱，完成基本组装。测试了一下USB都有输出，剩下的明天再测了。 

 改进OLED显示效果 


因为外壳是磨砂效果的，对OLED的显示有一定影响，显示的内容看起来有点模糊（实际效果比图片还要差一点）。 
但是只需要一个简单的方法就可以改进，方法是贴一块透明胶，用那种透明的。
这样看起来很清楚了。

  触摸按键及改进 

ESP32-S2带触摸按键功能，因此使用了两个GPIO，并焊接了两个导线绕了几圈作为触摸按键。
测试发现效果不太好，触摸按键的数值变化比较小，只有300左右。
8070 8174
8172 8199
8344 8208
8343 8200
8343 8195
8067 8179
8072 8176
8069 8187
8101 8485
8103 8493
8067 8172
8077 8178

于是又焊接了铜丝，增加长度。
但是效果仍然不好，甚至还变差了点。
8134 8264
8137 8270
8137 8266
8159 8307
8192 8478
8198 8479
8196 8486
8136 8270
8133 8270
8142 8271
8361 8308
8368 8307
8370 8308
8141 8266
8144 8278
8139 8269
找了一个锡箔纸，剪成小块，粘到上面板内侧
再把铜丝折弯一点，可以接触到锡箔纸。

下面在垫一块泡沫，让接触更紧密。 

这样效果就好多了，触摸后数值变化有1000以上。
8213 8272
8214 8274
8227 8569
8242 9560
8240 9618
8207 8281
8211 8276
8310 8305
9317 8317
9364 8560
8408 8482
8373 8279

 充电效果初步演示 


硬件部分基本调试完成，功能上和预计的没有太大出入，剩下的在根据情况逐步调整。

先写了一小段程序，用WS2812指示充电状态。下面是用呼吸灯轮流显示每个快充模块状态，在没有充电时显示绿色，小功率时（《0.4W）显示黄色，中等功率时（《2W）显示橙色，大功率时（》6W）显示红色。同时在OLED上显示相关参数。
电压不是5V，这是正常的，因为测量的是电感的高端输出，不是直接测的USB口。

 完善更多功能  

周末完善了一下程序，实现了电量计算、环境光强检测（自动调整WS2812亮度避免晚上太刺眼）、自动熄屏、设备充电唤醒、触摸唤醒等功能，串口通信、网络查询、日志等功能有空了在加。
显示超过60秒，自动熄屏

 

自动检测充电设备，当检测到有新设备充电时唤醒屏幕
按键唤醒屏幕，可以切换显示不同充电模块状态

· END ·








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