DIY USB 电流表（1）：元件选型和原理图绘制
内容提要
USB电流表是电子DIY中常用的工具，可以用来观察设备的实时电流、电压和功耗。本文介绍了一个开源的USB电流表的原理图，适合初学者学习。需求分析包括USB Type-C接口、电压检测、电流检测、功率计算、容量统计等功能。MCU选用WCH CH32V003F4P6，电压电流采集选用TI INA219，DC-DC芯片选用LGS5145，屏幕选用12864 OLED。原理图包括USB Type-C接口、DC-DC降压供电、MCU、INA219、屏幕和按键等部分。
延伸解读
元件选型背后的权衡
文章在选型时明确考虑了项目复杂度和开发难度。MCU选择CH32V003是因为项目无需无线功能，且其外设资源足够；INA219虽最大电压26V，但作者认为PD3.1 140W设备尚少，暂不纠结，后续可换INA226；DC-DC选LGS5145看重其宽输入电压和小封装；屏幕用成品模块以降低焊接难度。这些选择都体现了初学者项目“先求成功，再求完善”的思路。
Type-C直连设计的注意事项
原理图中两个Type-C母座的CC1、CC2直接连通，且未接5.1K下拉电阻。这带来两个实际限制：使用C-C线和PD充电头时，因无法协商PD协议，充电头不会供电，电流表无法启动；两端充电线接反时同样无法协商。此外，由于直通设计，输入输出不分方向，任意一端接充电器均可。这些细节在复刻时需特别注意。
采样电阻的功耗与量程考量
项目选用10mΩ采样电阻，在100W（20V 5A）时功耗仅0.25W，实测长时间运行不发烫。INA219通过采集采样电阻两端压差计算电流，其最大量程26V，足以应对PD2.0 100W的20V，但若用于PD3.1 140W的28V则会超量程。作者建议后续可换用INA226以支持更高电压。
原理图绘制中的实用技巧
文章提到，DC-DC部分直接参考数据手册的典型应用电路，按公式计算反馈电阻，实际输出3.428V略高于3.3V但在允许范围内，选用现有电阻阻值以省去额外采购。前馈补偿电容C6可加可不加。MCU的I2C总线加了10K上拉电阻，按键采用低电平触发并配上拉。这些做法对初学者绘制原理图有参考价值。
Q&A
DIY USB电流表需要实现哪些功能？
根据文章，USB电流表的主要功能包括：USB Type-C输入与输出、PD协议透传、支持5～20V电压检测、支持0～5A电流检测、支持功率计算和容量统计、支持功率历史图表显示、支持统计数据记录与清除、按键切换电压电流数据与功率历史图表、使用12864 OLED显示相关数据。
为什么选择CH32V003F4P6作为USB电流表的MCU？
文章中提到，选择CH32V003F4P6是因为项目简单，不需要Wi-Fi或蓝牙，而CH32V003是一款低功耗的RISC-V MCU，具有足够的I2C、GPIO、UART和SDIO接口，且TSSOP20封装的CH32V003F4P6比SOP8封装的CH32V003J4M6拥有更多GPIO，UART和SDIO也没有复用，能更好地满足项目需求。
INA219在USB电流表中起什么作用？它的量程是否足够？
INA219用于电压和电流采集，它通过I2C接口与MCU通信，能直接读取电流值并计算功率。其电压最大量程为26V，对于PD2.0 100W（最大20V）足够使用，但若遇到PD3.1 140W（28V）则会超量程。文章建议后续可考虑使用INA226替代。
为什么需要DC-DC芯片LGS5145？它的作用是什么？
因为USB PD最高电压可达20V，而CH32V003和INA219不支持高电压工作，所以需要使用DC-DC芯片将VBUS降压到3.3V供MCU和INA219使用。LGS5145具有4.5V~55V宽输入电压范围，支持最高40V输入，适合本项目。
USB Type-C接口在原理图中是如何连接的？有什么注意事项？
原理图中使用两个16P的USB Type-C母座，VBUS网络分别命名为VBUS和VBUS_OUT，中间连接采样电阻。CC1、CC2直接连通以支持PD协议透传，其他引脚也直接连接以保证兼容性。注意事项：由于CC1、CC2没有5.1K下拉电阻，使用C-C线及PD充电头时可能无法协商PD协议导致不供电；且CC1、CC2直连无MUX芯片，充电线接反时也无法协商PD协议。
采样电阻的阻值是多少？为什么选择这个阻值？
采样电阻R2的阻值为10mΩ。选择这个阻值是为了在测量较高电压时避免较大发热，即使在100W 20V 5A时，功耗也只有0.25W，实测100W长时间运行也不发烫。
