这个的USB 3.0 直通型功率计，设计上考虑了宽电压输入（支持快充高压），采用了“高压降压 -> 低压稳压”的二级供电架构

原理图

以下是我对各部分电流的详细解析：

1. USB 输入/输出 & 电流采样模块

image-20251216194318781

主要元件：

  • USB1 (Type-A 公头): 功率输入端，连接充电器/电脑。
  • USB2 (Type-A 母头): 功率输出端，连接负载/手机。
  • R1 (2mΩ 采样电阻): 毫欧级精密电阻。

电路逻辑：

  • 数据直通： USB 2.0 (D+, D-) 和 USB 3.0 (SSRX, SSTX) 的数据线在 USB1 和 USB2 之间直接相连。这意味着该功率表不会干扰快充协议（QC, PD等）的握手，仅仅作为“旁观者”。
  • 电流路径： 电源正极 (VBUS_IN) 从 USB1 进入，经过 R1 采样电阻，到达 VBUS_OUT 后连接至 USB2。GND 共地。
  • 采样方式： 采用高边采样 (High-Side Sensing)，即采样电阻串联在电源正极，这样可以保证地线的完整性，减少对数据通信的干扰。

2. 主控制模块

image-20251216194343191

主要元件：

  • U1 (PY32F002AL15S6TU): 普冉(PUYA) 的 32位 Cortex-M0+ 单片机。
  • C8 (100nF): MCU 电源去耦电容。

功能分析：

  • 该 MCU 是整个系统的“大脑”。
  • 通过 I2C 总线 (SDA, SCL) 读取 U2 (INA219) 的电流和电压数据。
  • 处理数据后，通过 I2C 驱动 OLED 屏幕显示。
  • 该芯片性价比高，24MHz 主频对于刷新简单的功率显示绰绰有余。

3. 降压模块 (宽电压 -> 5V)

image-20251216194354266

主要元件：

  • U3 (LGS5148): 棱晶半导体的降压 DC-DC 芯片。
  • L1 (22uH), C2 (100nF), C5/C6 (10uF): 功率电感和输入/输出滤波电容。
  • R5 (10.7kΩ), R6 (56kΩ): 反馈分压电阻。
  • R4 (1MΩ): 使能 (EN) 上拉电阻。

电路逻辑：

  • 输入： 直接连接 VBUS_IN。由于 LGS5148 支持最高 48V 输入，这意味着该功率表可以安全地测量 5V、9V、12V、20V 甚至更高的 PD/QC 协议电压，而不会烧毁自身供电电路。
  • 输出计算： 根据反馈电阻 R6 和 R5，输出电压 Vout≈Vref×(1+R6/R5)V_{out} \approx V_{ref} \times (1 + R6/R5)。假设 VrefV_{ref} 为 0.8V，则输出约为 5V。
  • 作用： 将 USB 线路上变化的高压（4.5V~48V）转换为稳定的 +5V 中间电压，供给后续的 LDO。

4. 电流/电压检测

image-20251216194410171

主要元件：

  • U2 (INA219AIDCNR): TI 的 I2C 接口电流/功率监控芯片。
  • C1 (100nF): 电源滤波。

电路逻辑：

  • 电压检测： 引脚 Vin+ 直接测量 VBUS 电压。
  • 电流检测： 引脚 Vin+ 和 Vin- 分别跨接在采样电阻 R1 的两端，测量压降以计算电流。
  • 数据通信： 通过 I2C 接口将原始读数发送给主控 MCU。
  • 特点： INA219 是专业的集成方案，比单纯用单片机 ADC 测量精度更高，且内置了乘法器可直接计算功率。

5. 芯片供电稳压模块 (LDO)

image-20251216194506156

主要元件：

  • U4 (XC6206P332MR): 3.3V 线性稳压器 (LDO)。
  • C7, C9, C10: 滤波电容。

电路逻辑：

  • 输入： 接收来自降压模块的 +5V。
  • 输出： 输出稳定的 +3.3V (VCC)。
  • 作用： 为 MCU、INA219 的数字接口端以及 OLED 屏幕提供干净的 3.3V 电源。采用两级降压（DC-DC + LDO）的设计既保证了高压输入的安全性，又保证了低压端的纹波噪声足够小。

6. 调试接口

image-20251216194527094

主要元件：

  • H2 (1x6P 排母/焊盘): 调试端口。

信号定义：

  • VCC, GND: 电源。
  • SWCLK, SWDIO: SWD 接口，用于烧录 MCU 程序和仿真。
  • TX, RX: 串口，用于打印调试信息或对外数据传输。

7. 显示屏接口

image-20251216194537799

主要元件：

  • OLED1 (0.91寸 OLED): I2C 接口显示屏。
  • H1 (1x4P 排针): 可能是备用屏幕接口或 I2C 扩展口。
  • R2, R3 (5kΩ): I2C 总线上拉电阻。

电路逻辑：

  • 通信： 挂载在 I2C 总线上（与 INA219 共用）。
  • 电源： 由 VCC (3.3V) 供电。
  • 显示内容： 由 MCU 控制显示电压、电流、功率、容量等信息。

总结

这是一个设计非常成熟且稳健的 USB 功率表方案。

  • 优点： 采用了独立供电架构（High Voltage Buck -> LDO），使其能够安全地测量高达 48V 的电压，非常适合测试各类快充头。
  • 精度： 使用了 2mΩ 低阻值采样电阻配合专用的 INA219 芯片，在保证大电流（USB 3.0 规范及以上）通过时压降很小，同时测量精度有保障。
  • 数据完整性： USB 数据线全直通，不影响原有通信。

快来参与讨论吧~