查看“3006 RPi5 UPS Scap PD 5V5A”的源代码

== '''关键词''' ==
树莓派5、Raspberry Pi、超级电容、UPS、PD握手、5V5A、边充边放、I2C检测电流电压、长续航、平衡、性能、22F、100F、GPIO检测

== '''一、简介''' ==
超级电容UPS

== '''二、硬件资源''' ==

== '''三、使用说明''' ==

=== 3.1 版本说明 ===
超级电容UPS按电容容量大小分100F版和22F版，电容最高输出电压都是5.4V（2.7V*2）。

超级电容UPS有三种输出方式：分别为USB-A和USB-C以及镀金顶针，分两个版本：顶针版（USB-A输出、USB-C输出、镀金顶针输出）和USB版（USB-A输出、USB-C输出）。

'''''注意1：超级电容因为能量大且内阻小，在有电的时候禁止正负极短接。两个超级电容的连接方式是串联，因此也禁止两个超级电容的电路的两端正负极短接。对于因超级电容两极短接导致的任何风险我们概不承担，请小心使用。因超级电容两极短接导致的器件损坏不在保修范围内。'''''

'''''注意2：PCB板上方有放电按钮（丝印：DISCHARGE），在使用完毕后或者需要运输之前，请按此键为超级电容进行放电。'''''

=== 3.2 输入输出 ===
1. 外部电源使用5V输入，输入口为PCB板左侧的USB-C输入口（丝印：INPUT）。5V输入输入后分两路：一路通过升压到12V后PD握手，然后降压到5.2V通过USB-A口、USB-C输出口（背部丝印：INPUT）、镀金顶针输出（限顶针版）；另一路给超级电容充电，为了安全起见，限制充电到5.2V后停止充电。这两路之间有隔离电路，因此不会同时进行输出。在有外部输入的情况下，默认通过第一路，即外部电源进行输出。

2. 超级电容充电时长数据：
{| class="wikitable"
| rowspan="2" |电容容量
| colspan="2" |电容电压
|-
|0V->5.2V
|2.4V->5.2V
|-
|22F
|2min55s
|1min18s
|-
|100F
|15min
|4min36s
|}
3. PD握手协议。采用外部电源或者超级电容给树莓派5供电时，即使输入的电压和电流符合5V5A的要求，树莓派OS或者Ubuntu系统也会提示此电源不支持5V5A，如图所示（以树莓派OS为例）：

http://www.mcuzone.com/wiki/3003_21700_5V5A_PD/3003_21700_5V5A_PD_16.jpg

我们可以在树莓派5的USB-C输入口上插一个[[3005 USB A-C PD Adapter and PD Dongle#三、PD Dongle|USB PD Dongle]]，或者使用一个USB C-C连接器，连接超级电容UPS的USB-C输出口（支持5V5A PD协议，可于树莓派5正常协商），与树莓派5的USB-C输入口，即可解决该问题。

=== 3.3 UPS功能 ===
1. 外部电源断电自动切换UPS（超级电容），可实现无缝衔接。超级电容UPS在各个截止关闭电压下，实测的可维持时间列表如下：

'''''（注：三种模式，即长续航模式、平衡模式、性能模式，是通过PCB上的电阻来调节的，具体使用哪种模式，是在出厂时就设定好的。）'''''

100F版本，充电至5.16V开始放电：
{| class="wikitable"
| rowspan="2" |输出电压电流
| colspan="3" |可维持时间
|-
|长续航模式(1.6V关闭)
|平衡模式(2V关闭)
|性能模式(2.4V关闭)
|-
|5V5A
|11s
|11s
|11s
|-
|5V4A
|17s
|17s
|17s
|-
|5V3A
|26.5s
|26.5s
|26s
|-
|5V2A
|47.5s
|47s
|44s
|-
|5V1A
|1min41s
|1min36s
|1min28s
|-
|5V0.5A
|3min31s
|3min19s
|3min01s
|}
22F版本，充电至5.2V开始放电：
{| class="wikitable"
| rowspan="2" |输出电压电流
| colspan="3" |可维持时间
|-
|长续航模式(1.6V关闭)
|平衡模式(2V关闭)
|性能模式(2.4V关闭)
|-
|5V5A
|3s
|3s
|3s
|-
|5V4A
|4s
|4s
|4s
|-
|5V3A
|6s
|6s
|6s
|-
|5V2A
|11s
|11s
|10s
|-
|5V1A
|26s
|24s
|23s
|-
|5V0.5A
|55s
|51s
|47s
|}
2. 掉电后重新上电。树莓派5在掉电后，如果完全断电，那在下次来电时，系统将会自动启动。因此如果掉电后，使用超级电容供电至电容内的电量完全放完，那在外部电源来电后，树莓派5是可以自动启动的。但是如果此时电容内还有电，只是处于截止关闭状态，则树莓派5会认为此时只是处于待机状态而不是断电状态，所以并不会自动启动系统。

为了解决这个问题，我们设计了断电自启电路，在超级电容处于截止关闭状态下，如果此时外部输入电源恢复正常输入，该电路会通过USB-C输出口旁边的顶针，给树莓派5一个开机信号，使系统自动重启。

=== 3.4 状态检测 ===
1. I2C充放电检测。超级电容UPS可以通过I2C电路，读电压和电流，检测超级电容的状态。包括：电源的状态是就绪还是掉电、超级电容的充放电专题台、超级电容剩余多少电量，等等。

2. GPIO检测状态。可以通过放电按钮右侧的镀金顶针，通过GPIO引脚，检测超级电容UPS的状态是就绪还是掉电。

== '''四、查看电源实时参数（树莓派系统）''' ==
此操作基于树莓派系统版本为：2024-11-19-raspios-bookworm-arm64.img.xz

树莓派系统下载地址：

https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/#raspberry-pi-os-64-bit

=== 4.1 打开I2C接口 ===
本UPS是通过I2C接口查看电源实时参数，需要在树莓派系统下打开I2C接口：

左上角树莓派标志—Preferences—Raspberry Pi Configuration—Interfaces

将I2C打开，如图所示：

http://www.mcuzone.com/wiki/3003_21700_5V5A_PD/3003_21700_5V5A_PD_07.jpg

这样就完成了相关配置。

=== 4.2 查看电源实时参数 ===
打开树莓派终端，下载查看电源实时参数软件：

<code>wget -O INA219.py <nowiki>http://www.mcuzone.com/wiki/3006_UPS_Scap_PD/INA219.py.zip</nowiki></code>

随后运行该软件，即可看到电源实时参数：

<code>python INA219.py</code>

这里演示了超级电容UPS在充满电的情况下（输出电压5.2V）开始放电，放电到电容电压为3V左右重新开始充电，直至充满（5.2V）为止。

<html><iframe style="width: 400px; height: 220px;" frameborder="0" src="http://www.mcuzone.com/wiki/3006_UPS_Scap_PD/upsiic_pios.mp4" allowfullscreen></iframe></html>