【ESP32-C3】40W PD 供电暖白双色+RGB补光灯

嗯哼哼，本项目设计了一款以 ESP32-C3 作为主控，功率达 40W、以 PD 快充协议供电的暖白双色 + RGB 补光灯方案。补光灯由驱动板与灯板两部分组成。驱动板有两个版本，分别使用 XL6003E1 和 XL6005E1 升压恒流驱动芯片作为 LED 灯驱动方案。灯板使用了 40 颗 暖白色 + 40 颗 正白色 3V/1W 2835 高亮 LED 灯珠与 35 颗 5050 WS2812 幻彩灯珠。支持暖白双色温度调节与 RGB 氛围灯光效果~

如刚刚简介所述，本开源项目中包括两种驱动板方案，XL6003E1 方案与 XL6005E1 方案有一些区别，该如何进行介绍呢......先从二者相同的部分讲起吧？

• 双色温 40W LED 恒流调光：采用XL6005E1 / XL6003E1 升压恒流驱动芯片驱动暖白光与正白光两组 LED。ESP32-C3 可通过 PWM 信号控制驱动芯片反馈电流，实现无级调光。最高功率 40W（暖白 20W + 正白 20W）（实际 LED 亮度与 PWM 占空比并不是线性关系......这点请务必注意哦）
• 可控的 Type-C PD 供电：通过 Type-C 接口与 CH224K USB PD 多快充协议受电芯片获取 9V~20V 输入电压.具体 PD 诱骗电压等级可由 ESP32-C3 进行控制。
• 主动散热与 NTC 测温：驱动板上带有 4010（40×40×10mm）散热风扇固定孔以及 XH2.54mm-2P 接口，ESP32-C3 可通过 PWM 信号控制 MOS 管通断进而控制散热风扇转速。灯板背面带有 0603 NTC 测温电阻焊盘，驱动板上带有对应的分压电阻焊盘，可通过 NTC 测温电阻测量灯板温度。（NTC 测温功能理论可行，我还没有测试这个功能......）

以上是两种驱动板方案的相同点，接下来要介绍不同的地方了~左侧 红板 为 XL6003E1 方案，接下来称为 方案一；右侧 绿板 为 XL6005E1 方案，接下来称为 方案二。

方案一与方案二在 PCB 尺寸上并无区别，但在元器件布局上近乎重做了一遍......从上两图对比上可以看出，方案一仅有一个 Type-C 接口，方案二有两个 Type-C 接口，二者在功能上的主要区别和设计思路如下：

• 二合一 Type-C 接口方案：方案一的 Type-C 接口集 ESP32-C3 调试烧录与 PD 供电二合一功能。成功完成 PD 快充诱骗后自动切换至 ESP32-C3 通信（其实这才是我想把方案一放上来的原因，二合一的接口很棒吧？真的很棒吧？）。这种设计相当简洁，一个接口即可搞定供电与调试烧录两个功能，适合追求极致集成的场景。
• PD 供电与调试烧录功能分离方案：方案二则把 PD 供电与调试烧录功能拆分给两个 Type-C 接口，上面的 Type-C 接口负责 PD 诱骗供电，下面的 Type-C 接口负责与 ESP32-C3 调试烧录并额外提供了 5V 防倒灌供电功能。这样设计的好处是功能划分清晰，在同时进行供电和调试时互不干扰，设计上更稳定可靠。

其次是两个方案所采用的 LED 升压恒流驱动芯片也不同，这直接决定了两板的输出能力上限也不同，简单来说，方案一（XL6003E1） 的开关电流最大为 2A，而 方案二（XL6005E1） 则能达到 4A。显然方案二的驱动潜力更足，能支持更大功率或更多灯珠的配置。不过对于本设计的 40W 功率来说，二者均可满足设计需求。

另一个值得注意的区别是芯片本身的散热表现：XL6003E1 为 SOP8L 封装，芯片底面无散热焊盘；而 XL6005E1 为 TO252-5L 封装，后者有一个炒鸡大的散热焊盘，在过大电流时散热表现更好，在长时间高功率运行场景下的表现更好一些。

1. XL6003E1/XL6005E1 - LED 升压恒流驱动电路

这两个芯片的外围电路设计是通用的。除了以下几点关键参数不同，其余部分基本一致：

• 输入电压范围不同：XL6003E1 输入电压范围为 3.6V ~ 24V。XL6005E1 输入电压范围为 3.6V ~ 32V。
• 驱动电流不同：XL6003E1 为 2A，XL6005E1 为 4A。
• 封装不同：XL6003E1 为 SOP8L 封装，XL6005E1 为 TO252-5L 封装。

电路原理图的设计基本遵循了官方手册。下图是手册中提供的支持 PWM 调光的典型应用电路：

就是照着官方技术手册提供的电路原理图猛猛抄就完事了（笑）。其中，决定输出电流的关键是连接在 FB 引脚的采样电阻 RS，其计算公式为：I_LED = 0.22V / RS。

本设计需要对暖白和正白两组 LED 进行独立控制，因此使用了两片驱动芯片，每路目标功率为 20W（总功率 40W）。灯珠选用 3V/1W 的 2835 型号，在灯板上按 十串四并 排列，因此单路驱动电压 U_OUT = 3V × 10 = 30V。

根据公式计算单路所需电流：I_LED = 20W / 30V ≈ 0.667A。代入 RS = 0.22V / I_LED，得出 RS ≈ 0.33Ω（即330mΩ）。计算过程就是这样啦（阿巴阿巴）。

如果你仔细看了以上描述，那么就会发现一个点：其实这个设计并没有完全发挥 LED 灯珠以及恒流驱动芯片的能力......该怎么解释呢......（翻之前的设计记录中.jpg）大概是当初设计时比较胆小不敢把功率往大了做的原因吧......如果需要更大功率的输出，可以适当减小 RS 电阻阻值。不过若仍需要 PD 供电，请注意自己的充电器的功率限制哦。不然把快充充电器炸了就得不偿失了......

2. Type-C 接口相关外围电路

这部分是实现 PD 供电与 ESP32-C3 调试烧录功能的核心。方案一与方案二采取了不同的设计思路来达成目标，各有特点。

2.1. 方案一（红板）：二合一 Type-C 接口方案

这个方案的精髓在于用一个Type-C 接口，同时搞定 PD 大功率供电和 ESP32-C3 的调试烧录。实现这个功能的关键是一颗 CH442E 双刀双掷模拟开关芯片。CH442E 包含 2 路二选一低阻宽带双向模拟开关，双通道 2:1 MUX 合计 DPDT，可以用于视频或者 USB 信号二选一切换。

重点：它是如何工作的？（猛敲黑板）

• 初始状态（PD 诱骗阶段）：当Type-C 线缆插入时，CH224K 开始工作，与充电器协商请求 9V/12V/15V/20V 电压。此时，CH224K 的 PG（Power Good）引脚输出低电平。
• 信号通路切换：这个低电平的 PG 信号被送到 CH442E 的 IN 控制引脚。CH442E 根据这个信号，将 Type-C 接口的 D+ 和 D- 数据线连接到 CH224K 的相应引脚上，以完成必要的协议通信。
• 切换完成（调试阶段）：一旦 CH224K 成功诱骗到设定的电压（比如 20V），其 PG 引脚会变为高电平。
• 第二次信号通路改变：此时，CH442E 将 Type-C 的 D+ 和 D- 数据线从 CH224K 那边“断开”，并转接到 ESP32-C3 的 USB-D- 和 USB-D+ 引脚上。
• 最终：这个 Type-C 接口的能在稳定提供 20V PD 电源的同时，又成为一个标准的ESP32-C3 USB 串口，可以直接用于程序调试与代码烧录。实现了一根线，两种功能，自动切换。(好累......这样描述应该清楚了吧？)

2.2. 方案二（绿板）：PD 供电与调试烧录功能分离方案

嗯哼哼，这个方案采用了更直观、更稳健的思路：将供电和调试两个功能分开，交给两个独立的Type-C 接口。

• 上方 Type-C 接口（PD 供电）：这个接口只负责 PD 诱骗供电。专门用于与充电器协商，获取 9V-20V 的电源。
• 下方 Type-C 接口（调试烧录与 5V 供电）：这个接口则专门用于与ESP32-C3通信。它的 USB 信号直接连接到了 ESP32-C3 的 USB 引脚。同时，这个接口的 VBUS 还可以提供一个 5V 电源，这个 5V 电源通过一个二极管（防倒灌）引入板载 5V 电源总线作为调试烧录时的芯片供电使用。

综上所述

不知道你看完以上描述后，是否意识到了方案一的一个潜在缺点？方案一最麻烦的一点在于：若是需要对 ESP32-C3 调试烧录，那么就需要完成 PD 诱骗这一步骤。然而，大部分的电脑所提供的 USB 接口并不支持 PD 快充这个功能......但是我的笔记本上有一个雷电 4 接口哦（得意，不过这个功能在现在应该是大部分游戏本的标配就是了）。因此，在需要调试烧录的场景下，方案一可能带来很多不便......

因此，我自认为方案一是一个有趣且高度集成的“奇思妙想”，追求极简；而方案二则是更传统、功能分离、稳定可靠的方案。

3. 电源

然后，让我们快速过一遍电源这一部分吧？

主电源来自外部的 PD 供电（电源电压 9V ~ 20V，可通过 ESP32-C3 设置 CH224K CFG1 ~ CFG3 进行设置），这个输入电压首先会经过 TPS54302DDCR DC-DC 同步降压转换器转换得到 5V/3A 电源（主电源功率要足够），主要用以驱动 35 颗 WS2812 灯珠与 4010 散热风扇。

之后，由上得到的 5V 电源再经过 ME6217C33M5G LDO 线性稳压器得到稳定的 3.3V/800mA 电源。为 ESP32-C3 控制电路供电。

这部分电路原理图与 Layout 设计参考官方技术手册来设计就可以啦，没什么难的，各芯片的详细参数就不在这里贴出了，就麻烦各位自行查阅技术手册啦（偷懒.jpg）。

4. ESP32-C3-MINI-1-N4 模组外围电路及引脚功能图

这部分就不能偷懒了......重点是引脚图，其实在电路原理图的第二图页 “ESP32-C3-MINI-1” 部分已经给出了，这里就基于方案二的电路原理图，绘制了一个更直观的引脚功能图如下所示。请注意：方案一和方案二的具体引脚分配有所不同，但功能部分是不变的。

5. 灯板设计

灯板使用了 40 颗 暖白色 + 40 颗 正白色 3V/1W 2835 高亮 LED 灯珠与 35 颗 5050 WS2812 幻彩灯珠。支持暖白双色温度调节与 RGB 氛围灯光效果~（偷懒复制）

灯板本身也有两个版本，不过二者差别不大：

• 图左为 v1.0 灯板方案：连接焊盘放置在灯板底面，灯板正面显得更干净。
• 图右为 v1.1 灯板方案：改用了多层连接焊盘，焊接起来更顺手一些~

这里还需要提一下 RGB 的连接顺序，详见下图⬇~

从这张图也能发现一个焊接时的小坑：相邻两列的 WS2812 灯珠，其数据流向是相反的，焊接时请务必注意 RGB 灯珠的方向~（很费手欸）

本来想尝试下立创的铝基板的......但是很明显 80 颗 2835 封装的 LED 灯珠与 35 颗 5050 封装的 WS2812 幻彩灯珠的 Layout 不是单层铝基板能解决的......

这部分请稍等一下下！！！目前我实现的功能也只是简单的拨码调光而已，还不是很能拿的出手呢......如果不嫌弃的话，我可以简单介绍目前放在附件里的代码文件结构，以便各位使用。

放在附件里的代码是基于 XL6005E1 方案进行设计的，不能直接套用在 XL6003E1 方案上！若需要请自行按照电路原理图中的引脚配置修改代码。

嗯哼哼，本项目的代码基于 VSCode + ESP-IDF 框架，使用 C/C++ 编程语言进行编写（基本是 C 风味的 C++，不必担心自己看不懂！大概？）。以下是工程的文件结构图~（使用 AI 直接生成的）

这里值得关注的文件夹有两个：user_code 与 user_func 文件夹。

• user_code 文件夹：文件夹下的 "alice.cpp" 放着所有 FreeRTOS 任务定义与实现，外设初始化与功能实现任务都堆在这里。
• user_func 文件夹：这里堆放着所有我写的自定义函数，各个外设的初始化函数与可能的操作函数都堆在这里。

目前提供的代码很简单，"alice.cpp" 开头提供了 "TEST_RGB_ENTRY" 与 "TEST_LED_ENTRY" 两个宏定义开关。

// 若需要测试 RGB 功能，则定义 TEST_RGB_ENTRY
// #define TEST_RGB_ENTRY 
// 若需要测试 LED 功能，则定义 TEST_LED_ENTRY
#define TEST_LED_ENTRY

如这两个宏定义所述：

• 如果定义了 TEST_RGB_ENTRY 编译烧录后，通过按下拨码开关选择 RGB 灯光模式，左右拨码则是调节 RGB 灯光亮度。
• 如果定义了 TEST_LED_ENTRY 编译烧录后，通过按下拨码开关选择要控制暖白/正白灯光亮度通道，左右拨码则是调节 LED 灯光亮度。

是的，目前就这么朴素……只能提供那么简单的代码QAQ，演示视频与代码放在附件部分啦，本来想写一个上位机软件控制的，不过目前仅通过拨码开关就可以达到我所需要的功能了......能用就行.jpg（懒癌又发作了）

终于来到最后一步了，拍手拍手。

本设计中并不包含外壳设计......毕竟外壳还是有点贵的。这部分涉及到一些五金件，就不能参考 BOM 单上的内容了，以下列出我所使用的零件。

• M2×12mm 双通铜柱 × 4
• M2×6mm 内六角螺丝 × 8
• M3×30mm 倒边十字螺丝 × 4
• M3 螺帽 × 4
• (可选) 4010风扇金属网罩 × 1

接下来是推荐的组装流程。很抱歉这部分没法提供更详细的步骤图片......组装的时候忘拍了，下次会注意的！

• 第一步：固定散热风扇

  驱动板上已经预留了4010风扇的M3安装孔。使用 M3×30mm螺丝 和 M3螺母 将风扇固定在板子上。如果想看起来更专业、防止手碰到扇叶，可以加装一个风扇网罩。最后，记得将风扇的供电线插到驱动板的XH2.54-2P接口上。

• 第二步：连接灯板与驱动板

  这是最关键的一步，需要用电线将两块板子的对应焊盘连接起来。请使用耐高温的硅胶导线，并确保连接牢固、正确无误。需要连接的焊盘功能如下~

  • W+ / W-：暖白光 LED 灯组供电线
  • C+ / C-：正白光 LED 灯组供电线
  • +5V / GND：WS2812 RGB 灯珠供电线
  • DIN：WS2812 数据信号线
  • NTC：NTC 测温电阻 ADC 采集信号线（可选）

• 第三步：组合灯板与驱动板

  将连接好所有导线的灯板与驱动板对齐，使用 M2×12mm铜柱 和 M2×6mm螺丝，通过四角的安装孔将两者固定在一起。拧紧后检查一下，确保所有导线没有被过度挤压或拉扯。

完成以上三步，硬件组装就基本大功告成了！最后，在上电测试前，请务必再次核对所有供电与信号线的连接是否正确，特别要注意正负极不要接反！

在动手组装、调试和使用这个补光灯之前，这里有一些非常重要的提醒和内容总结，请务必花几分钟读完，它能帮你避免很多坑！

供电与电源

• 必须使用支持 USB PD 协议的电源适配器，并且其输出功率建议不低于 45W（为转换效率留出余量）。
• 确保诱骗电压设置在9V或以上（通过CH224K配置），否则后级的 TPS54302DDCR 可能无法正常启动。
• XL6003E1 方案的二合一 Type-C 口需要上位机支持 PD 快充输出才能进行调试，普通电脑USB口无法供电和通信。XL6005E1 方案则无此限制。

功率与散热（重中之重！）

这是具有最大 40W 功率的设备，LED 灯珠和 XL6003E1 / XL6005E1、TPS54302DDCR 驱动芯片工作时会产生大量热量。务必确保所有发热器件良好接触散热器或留有通风空间，并保证散热风扇正常工作。长时间高亮度使用，过热是最大的风险。

XL6005E1（TO252-5L 封装）的散热性能优于 XL6003E1（SOP8L 封装），若追求更大功率或长时间运行，建议优先使用方案二设计哦。

组装与焊接

• 连接灯板与驱动板的导线请使用耐高温硅胶线，并确保焊接牢固，避免因接触不良或过热导致短路。
• 焊接灯板时，请特别注意WS2812灯珠的数据流向（相邻两列方向相反），接错会导致整条灯珠不亮。
• 灯板上的大电流走线（如 LED 正负极）若有必要建议开窗处理并进行拖锡加粗，以减少发热和压降。

调试与软件

• 附件代码基于 XL6005E1 方案（方案二） 编写，用于方案一时必须根据原理图修改GPIO引脚定义。
• 首次上电建议先使用万用表测量各输出点（5V、3.3V、LED 驱动电压）是否正常，再接上负载进行测试。
• 代码功能目前较为基础（拨码开关调光），复杂的网络控制等功能请等待后续开发~。

安全与一般性警告

• 驱动板为高压（可达 30V 以上）恒流源输出，调试时请务必小心，避免触电或短路。
• 请勿在通电状态下插拔连接线或焊接。
• NTC测温功能为理论设计，尚未经过充分测试，使用该功能时请谨慎判断数据可靠性。
• 使用时请注意绝缘和物理防护，避免意外触摸或异物掉落造成短路。

务必注意：安全第一。祝你和你的补光灯玩得开心！如果发现了文档中的错误或有更好的改进点子，非常欢迎分享和讨论~

这个灯板的大小和常见的 1L 饮料瓶底大小差不多，把空饮料瓶直接凳到补光灯上，deng！deng！，一个发光饮料瓶诞生了！这个画面还蛮有喜感的（不是你的笑点太低了么？......），要是有复刻成功的可以试试看？

说实话其实我自认为更擅长软件部分的设计呢......不过近期基本都在进行硬件设计，也很难说哪部分是我所擅长的了......自己想一个项目，然后设计一个方案，绘制原理图、Layout，提交打板后等待 PCB 邮到，然后一点点焊接测试。感觉自己学习到了一些东西，但又感觉在原地踏步......时间在一点点流逝，不知道自己是否有一点点积累呢？

忘记说明关于代码编译时的注意事项了（敲）......上传的代码所使用的 ESP-IDF 版本为 v5.4.1，同时上传的 v0.1 代码文件上有些问题......v0.1 代码文件中删除了 .vscode 与 .devcontainer 这两个文件夹，可能导致项目无法编译，在 v0.2 版本中把缺失的文件补上了......不过我的 ESP-IDF 安装目录为自定义的安装目录，与默认路径不同，在编译前请按照以下顺序进行设置：

• 第一，选择当前的 ESP-IDF 版本：选择 ESP-IDF 版本为 v5.4.1，其他 ESP-IDF 不是太旧版本应该也行？
• 第二，设置乐鑫设备目标（IDF_TARGET）：在展开的命令面板下拉框中依次选择 esp32c3 -> ESP32-C3 chip (via builtin USB-JTAG) 作为目标设备。
• 第三，打开 SDK 配置编辑器（menuconfig）：要是没出问题的话 ESP-IDF 会根据工作区文件夹下的 sdkconfig 文件进行配置，这一步没什么需要注意的，仅需等待 SDK 配置编辑器窗口弹出即可。
• 第四，构建项目：点击小扳手标志，然后等待项目构建完成。要是编译没问题的话大概会弹出以下窗口~

• 第五，烧录项目：把用 Type-C 连接设备与电脑，在 选择要使用的端口（COM、tty、usbserial） 中选择对应 ESP 设备的端口（要是端口处于未选中的状态的话 ESP-IDF 大概会将连接到当前电脑上的所有设备端口轮询一遍，烧录还是能烧录的，不过轮要找到设备的时间要很久就是了）， 点击小闪电标志开始烧录，等待烧录完成。

流程大概就是这样？要是还有什么缺失或问题我会再补充的！

关于软件代码更新

想起来我似乎注册了一个 Gitee 账号？后续代码将托管在 Gitee 仓库 上！欢迎 Star 和反馈： https://gitee.com/LinYIN592/esp32-c3-led-rgb-fill-light

本次更新主要围绕 网络连接 与 交互方式 进行了修改，现在你可以通过 Wi-Fi 或 USB 串口轻松配置和控制补光灯。以下是主要新增功能：

• Web 控制面板
  设计了一个简单的 HTML 界面，实时显示 PD 供电状态（电压/指示灯），以及支持 RGB 氛围光颜色实时选取、暖白/冷白亮度独立调节、灯光模式切换（幻彩/固定色温/数字矩阵）。
• Wi-Fi 连接与配置
  支持 STA 模式连接指定 Wi-Fi 网络，SSID 和密码可保存至 NVS（非易失存储），重启后自动重连。
  成功连接后自动启动 HTTP 服务器，并支持 mDNS，可通过 http://esp-light-control.local 在浏览器中访问控制面板。（先配置 ESP32-C3 的 WiFi 网络连接，让它连接到与你手机或者电脑相同的 WiFi 网络，然后访问这个网址！）
• USB 串口命令配置
  简单的串口命令解析器，通过 USB 串口（如 Arduino 串口监视器）可直接发送指令：
  esp+restart —— 重启设备
  wifi+set=ssid:你的SSID,pass:你的密码 —— 配置 Wi-Fi
  wifi+get= —— 查询当前保存的 Wi-Fi 信息
  无需重新编译固件，即可完成简单的网络配置。

关于硬件的更新方案？

嗯哼哼，在翻阅 XL6005E1 技术手册的时候，突然发现之前抄的 PWM 调光电路其实还有更优雅的接法……v1.0 与 v1.1 控制板的设计直接照搬了典型应用，虽然能用，但感觉并没有发挥 "恒流" 这个最重要的特点。
这次在翻 XLSEMI 官网时找到了一个看起来更合理的 PWM 控制电路，这个电路图看起来比芯片技术手册中的电路原理图可靠多了？
使用 1N4148 二极管调光（也就是现有的 v1.0 与 v1.1 方案）缺点是不支持高频调光（文档指出 PWM 频率应不大于 500Hz，实际测试应证了这一点...大于 500Hz 的 PWM 信号会导致线性度很差），线性度较差，低频时频闪比较严重。

《LED调光方案简介》
《XLSEMI 恒流 LED 产品 PWM 调光方案简介》

以下电路原理图是从第二个 PDF 文档中找到的，采用 RC 滤波方式控制的电路原理图。留个坑位，等板子打样回来验证后再试试看如何？（挖坑.jpg）或是哪位大佬帮忙验证:>