一种快速充电协议转换器的设计.pdf

收稿日期:;修回日期:基金项目:年国家级大学生创新创业计划项目(J ).作者简介:张雷(),男,本科生,主要从事嵌入式系统开发,E m a i l:b i p t e d u c n;蓝波(),男,硕士,副教授,硕士生导师,主要从事电路与系统的研究,通信联系人,E m a i l:l a n b o b i p t e d u c n.第 卷第期 年月北京石油化工学院学报J o u r n a l o fB e i j i n gI n s t i t u t eo fP e t r o c h e m i c a lT e c h n o l o g yV o l N o M a r 文章编号:()一种快速充电协议转换器的设计张雷,蓝波,李建芳,王麦盈,孙世龙,朱志成,陈弘哲(北京石油化工学院信息工程学院,北京 ;南京市扬子第一中学,江苏 南京 )摘要:移动终端仅在使用原装电源适配器与线缆的情况下才能达到最佳充电效果,设计了一种快速充电协议转换器,将多种充电方案进行集成,使不支持特定终端的电源适配器经转换后可以实现接近原装充电器的充电效果.转换器以C o r t e x M内核单片机为主控制器,控制外部大功率D C D C变换电路及输入输出充电协议控制器,并针对特定充电协议,采用单片机I O模拟时序的方式进行通信,对输出协议控制器进行补充,实现更加全面的兼容效果.实验结果表明,该设计方案具有转换效率高、支持功率大、支持双路协同工作的优点,可实现接近原装充电器充电效果的设计目标.关键词:充电协议;转换器;D C D C;快速充电中图分类号:T N 文献标志码:AD O I:/j c n k i i s s n 开放科学(资源服务)标识码:D e s i g no fF a s tC h a r g i n gP r o t o c o lC o n v e r t e r sZ HANGL e i,L ANB o,L I J i a n f a n g,WANG M a i y i n g,S UNS h i l o n g,Z HUZ h i c h e n g,CHE N H o n g z h e(C o l l e g eo fI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g,B e i j i n gI n s t i t u t eo fP e t r o c h e m i c a lT e c h n o l o g y,B e i j i n g ,C h i n a;N a n j i n gY a n g z iN o M i d d l eS c h o o l,N a n j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:Al o to fm a j o rm o b i l e t e r m i n a lm a n u f a c t u r e r sh a v e l a u n c h e dr a p i dc h a r g i n gt e c h n o l o g y,b u tm o b i l e t e r m i n a l s c a na c h i e v e t h eb e s t c h a r g i n ge f f e c t o n l yb yu s i n g t h eo r i g i n a l p o w e r a d a p t e ra n dc a b l e,a n dt h eq u i c kc h a r g i n gf u n c t i o nc a n tu s eo t h e rp o w e ra d a p t e r s t oa c h i e v e A i m i n gt os o l v e t h ep r o b l e m,a c o n v e r t e r o f q u i c kc h a r g ep r o t o c o l i sd e s i g n e d i n t h i sp a p e r,w h i c h i n t e g r a t e sav a r i e t yo f c h a r g i n gs c h e m e s,s o t h a t t h ep o w e r a d a p t e r t h a t d o e sn o t s u p p o r t a s p e c i f i c t e r m i n a lc a nr e a l i z e t h ec h a r g i n ge f f e c tc l o s et ot h eo r i g i n a l c h a r g e ra f t e rc o n v e r s i o n T h ec o n v e r t e ru s e st h eC o r t e x Mc o r es i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra s t h em a i nc o n t r o l l e r t oc o n t r o l t h ee x t e r n a l h i g h p o w e rD C D Cc o n v e r s i o nc i r c u i t a n dt h e i n p u t o u t p u tc h a r g i n gp r o t o c o l c o n t r o l l e r A c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cc h a r g i n gp r o t o c o l,t h es i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e rI Os i m u l a t i o nt i m i n gi su s e dt oc o mm u n i c a t ea n ds u p p l e m e n t t h eo u t p u tp r o t o c o l c o n t r o l l e r t oa c h i e v et h em a x i m u mc o m p a t i b l ee f f e c t T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a t t h i sd e s i g nh a s t h e a d v a n t a g e so f h i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y,l a r g es u p p o r t i n gp o w e ra n ds u p p o r t i n gt w o w a yc o o p e r a t i v ew o r k,w h i c hc a na c h i e v e t h ed e s i g ng o a l c l o s e t ot h ec h a r g i n ge f f e c to f t h eo r i g i n a l c h a r g e r K e yw o r d s:c h a r g i n gp r o t o c o l;c o n v e r t e r;D C D C;q u i c kc h a r g i n g移动互联网与便携式移动设备已经成为人们生活中不可或缺的一部分,其中充电效率为手机终端的一项重要性能指标.移动终端设备制造商在开展快速充电技术的研发与实际推广过程中,形成了许多不同的快速充电标准,如果设备端与电源端所支持的快速充电协议存在差异,则只能以相对较低的效率进行充电,影响用户的充电效率.同时,充电器互不通用也造成了很大的资源浪费.虽然U S B I F(U S BI m p l e m e n t e r sF o r u m)已经对快速充电制定了功能性与通 用 性 极 强 的U S BP D(U S BP o w e rD e l i v e r y)协议,但在实际使用中,支持较大功率充电的移动终端往往采用各自的规范,而不兼容通用的P D协议 .为了解决移动终端快速充电协议不兼容问题,笔者设计了一款充电协议转换器,实现对手机终端的快速充电.系统总体设计充电协议使得移动终端与充电器之间得以进行通信,由移动终端控制充电器进行特定档位的电源输出,以匹配最佳的充电策略,提升充电速度并尽量减少终端在充电过程中发热.快速充电器的本质是可编程直流电源,移动终端根据快充协议对充电器进行输出调节,不同快充协议之间的物理层是类似的,区别主要在于协议层.为了实现充电协议兼容,转换器需要输入协议自动识别匹配并进行D C D C变换,输出协议自动识别匹配三部分主要功能,系统结构如图所示.MC U是整个系统的核心模块,对各个功能模块进行控制调度,对过流、过压、高温进行保护以及按键交互与L C D屏显等.输出协议控制器模块负责硬件协议模式下的输出协议控制,P Ds i n k控制器模块负责使用P D电源适配器为系统供电时的输入端P D协议握手,直流变换控制器模块使输出电压受控于输出协议控制器,将输入电压转化为设备需要的充电电压.图系统整体框架F i g T h eo v e r a l l f r a m e w o r ko f t h es y s t e m 硬件设计 主控电路设计主控电路模块包括微控制器、电源电路、晶振电路、复位电路、下载电路等,如图所示.微控制器采用的芯片是S TM F T U,该芯片基于C o r t e x M 内 核 设 计,具 有 k b y t eF l a s h与 kS R AM,同时拥有丰富的定时器与硬件通信接口资源.图主控电路模块F i g T h em o d u l eo f t h em a i nc o n t r o l c i r c u i t北京石油化工学院学报 年第 卷 电源设计转换器需将 V的直流电源变换为 V的直流电源,以应对复杂的用户使用场景.因此,需要采用一种升降压变换器,将输入电压转换为所需的宽范围输出电压,同时要求有最高 W的输出功率.在极限工况下,输入端需要承担超过 A的电流,如图所示.图D C D C电压转换F i g T h eD C D Cv o l t a g ec o n v e r s i o n常见的升降压变换方式包含种:级联b o o s t b u c k电路、S E P I C(S i n g l eE n d e dP r i m a r yI n d u c t o rC o n v e r t e r,一种隔离型开关D C D C变换拓扑电路结构)和四开关管单电感H桥b u c k b o o s t拓扑结构.在本方案中,经过对体积与性能需求进行综合分析,选择四开关管单电感H桥b u c k b o o s t拓扑结构电路进行功率D C D C变换.四开关管单电感H桥b u c k b o o s t电路如图所示.输入端为b u c k桥臂,由开关管与同步整流管组成,输出端为b o o s t桥臂.该电路有b u c k模式、b o o s t模式和b u c k b o o s t模式种基本工作模式.当输入电压大于输出电压时,电路工作于b u c k模式;当输入 电压低于输出 电压时,电 路可等效为b o o s t电路;当输入电压接近输出电压时,电路工作在b u c k b o o s t模式,此时电路在b u c k模式与b o o s t模式之间周期交替工作,如图所示.该电路拓扑结构适用于非隔离大功率工作场景,升降压效率最高 .图四开关管单电感H桥b u c k b o o s t拓扑结构F i g F o u r s w i t c hs i n g l ei n d u c t o rH b r i d g e,b u c k b o o s tt o p o l o g y 图四开关管单电感H桥b u c k b o o s t工作模式F i g F o u r s w i t c hs i n g l e i n d u c t o rH b r i d g e,b u c k b o o s to p e r a t i n gm o d eP L 是一个同步四开关B u c k B o o s t控制器,能够调节输出电压,该芯片输入电压范围为 V,输出电压范围为 V,符合转换器的设计需求,P L 升降压控制器输出电压为:VOU TVRR()利用SW 快充协议芯片实现对P L 芯片的反馈控制,达到控制P L 升降压电路输出电压的目的.协议控制器会根据受电端电压需求调整SW 内部电流源i,从而改变R与R的分压比例.i导致P L 内置基准电压与反馈电压不相等,破坏了环路稳态,P L 对输出电压进行调节,使环路再次达到稳态,此时电压输出为:VOU TVRRi R()U S B接口电压为()V,SW 上臂分压电阻R为 k,下臂分压电阻R为 k.P L 的C OMP引脚为环路补偿的通用误差放大器输出,该端口外部为R C滤波电路,如图所示.输出协议控制电路SW 是 一 款 高 集 成 度 的T y p e C/T y p e A快充协议芯片,支持P D、Q C、F C P、高低压S C P、A F C、S F C P、VOO C以及P E等主流快充协议,支持光耦反馈和F B反馈种工作模式.SW 集成C V/C C控制环路、T y p e C接口逻辑、快充协议控制器以及多种安全保护功能 .通过软件方式对SW 不支持的快速充电协议进行改进,即在软件模式下,用单片机代替硬件快充协议芯片的功能,完成快充协议通信与D C D C控制.通过单刀双掷模拟开关R S 对单片机I O与SW 快充协议通信引脚进行通断控制,由单片机控制信号进行选择后,与输出T y p e C接口进行连接,电路如图所示.第期张雷等一种快速充电协议转换器的设计图P L 电路F i g T h ec i r c u i to fP L 图输出协议控制电路设计F i g T h ed e s i g no f t h eo u t p u tp r o t o c o l c o n t r o l c i r c u i t P D s i n k控制器模块设计P D输 入 端 采 用HU S B 进 行 通 信.HU S B 是一款P DS i n k控制器,用I I C接口与主机进行通信,可支持读取P D电源P D O,根据主机指令驱动指定的P D O进行工作.默认状态下,将P D电源适配器作为输入电源时,P D电源需要与MC U建立通信,接收到MC U指令后才会正常进行输出 工 作.在 断 电 状 态 下,HU S B 的C C 与C C 引脚表现为低阻态.接入线缆时,U S B C接口在同一时间仅有条C C回路连接,P D电源C C 或C C 引脚被拉低,P D电源启动 V输出,MC U控制电路开始工作.启动程序时,MC U会与HU S B 建立I I C通讯,读取HU S B 获取P D电源广播信息,根据广播信息选取合适的P D O,将需要申请的电压档位与限流信息写入HU S B 指定寄存器中,HU S B 北京石油化工学院学报 年第 卷向P D电源发送S i n k信息,P D电源启动相应的输出档位,电路如图所示.图P D s i n k控制器模块F i g T h em o d u l eo f t h eP D s i n kc o n t r o l l e r M C U的I S P下载电路设计S TM F 芯片在出厂时内置了自举程序固件(B o o t l o a d e r).根据S TM F 数据手册中的阐述,上电时将B OOT引脚设置为指定电平,可以使控制器从自举程序起始地址运行.自举程序的作用是接收来自U S A R T的指令及固件,将代码下载至F L A S H中.将B OOT 始终置,B OOT 默认拉低并将该引脚复用于独立按键I O,MC U上电时默认从F L A S H启动.当用户按下按键并将转换器连接至电脑时,B OOT 置,MC U从自举程序起始地址运行,此时用户可以使用上位机软件将程序固件烧写至转换器,达到固件升级的目的.由于充电技术的高速发展及充电协议不断更新,因此在设计转换器时预留固件升级端口,可以有效延长产品生命周期.软件设计转换器软件流程如图所示,包括系统及各个模块的初始化、按键检测、软硬件协议执行、L C D显示、设置存储五大部分.初始化模块包含时钟树、U S A R T、定时器、S P I与I I C接口、L C D显示器、存储器、P D s i n k控制器和输出协议控制器.输入模式判别初始化完成后,对输入方式进行检测.转换器支持种输入方式:一种是用D C 接口接入普通D C电源适配器;第种是用T y p e C接口接入P D电源适配器.种输入接口为并联设计.用户接入P D电源适配器时,P D s i n k控制器会收到来自S o u r c e的P D O广播.程序读取此广播信息,分析图转换器的软件流程F i g T h es o f t w a r e f l o w c h a r to f c o n v e r t e r适配器输出功率最大的电压档位,并通过P D s i n k控制器向S o u r c e端发送R e q u e s t消息请求此最大功率档位.S o u r c e端 收到R e q u e s t消息 后,发 送A c c e p t消息表示同意申请,调整输出电压与限流值后发送P S_R D Y消息,在此过程中,转换器会记录最大功率数值,输出调节时,转换器将根据此功率值进行限流保护,如图 所示.通信与控制MC U与P D s i n k控制器、输出协议控制器之间第期张雷等一种快速充电协议转换器的设计图 输入模式判别F i g T h ed i s c r i m i n a n to f t h e i n p u tm o d e通过I I C接口进行通信.I I C协议是支持多设备数据交互的串行总线协议,包含根双向串行数据线与根串行时钟总线.每个连接到总线上的设备都有独立地址,控制器通过该地址访问不同设备.本设计中 主设备为MC U,从设备 为P D S i n k控 制HU S B 、输 出 协 议 控 制 器SW 与 存 储 器AT C .主机的I I C通信通过G P I O口软件模拟时序方式实现,在发送数据时,将对应G P I O配置为推挽输出,在接收数据时,配置为上拉输入.人机交互设计MC U使用S P I接口对L C D进行控制.L C D显示内容包括输入模式选择、输入输出参数显示、输出能量累积显示.软硬件模式切换通过按键进行控制,按键I O口配置为浮空输入模式,外部上拉.当按键按下时I O口电平被拉低,产生低电平信号,检测到低电平触发信号,程序根据状态机执行对应功能.快速充电转换器具有种快速充电控制模式:一种为硬件模式,使用SW 芯片与HU S B 进行快速充电协议通信,控制D C D C输出;另一种为软件模式,MC U直接与设备进行快速充电协议通信,控制D C D C输出.当转换器工作在硬件模式时,MC U控制模拟开关将硬件快充协议芯片与输出接口的通信引脚导通.充电协议握手、异常保护处理、输出电压电流调节均由快速充电协议芯片完成.此时MC U通过I I C接口读取快充芯片内部寄存器,获取其工作状态如电压、电流、握手协议等信息并显示在L C D屏幕上.当转换器工作在软件模式时,MC U控制模拟开关将MC U的P A 引脚与P A 引脚与输出接口的通信引脚导通.此时,充电协议握手,异常保护处理、输出电压调节等工作由MC U直接进行控制.实验测试 D C D C转化效率测试测试电路搭建如图 所示,转换器一端接睿登R D P高 精 度 数 控 电 源,一 端 接W I T R N C U S B测试仪.输入电压设置为典型工况状态D C V,分别在输出电压 V、输出电流A范围内设置 组测试条件,测试数据如图 所示.图 测试电路的搭建F i g T h ec i r c u i t t e s t图 转化效率测试数据F i g T h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yt e s td a t a从图 中可知,输出电压为V、输出电流为A时转换器的转换效率最低,随着功率的提高,系统控制部分电路的固定功耗与输入功率比值降低,转化效率逐渐升高;在输出电压为 V、输出电流为A时达到最大值,随着输出功率进一步提升,主功率回路能量损耗与转换电流平方成正比,转化效率有一些微降.WP D协议快速充电器经本转换器工作在软件协议模式进行转换后,对其进行了 充电测试.充电效果测试分别使用O P P O W原装充电器、常规 WP D协议充电器以及常规 W P D协议充电器经转换器后对O P P OR e n oA C E手机进行充电测试,充电量从到 ,通过W I T R NC U S B测试仪对充电器输出功率进行监控记录,并经上位机绘制北京石油化工学院学报 年第 卷成充电数据曲线,结果如图 图 所示,图中黄色、绿色、紫色曲线分别表示充电器输出电压、输出电流和输出功率.图 使用O P P O W原装充电器充电数据曲线F i g T h ed a t ac u r v ef o rc h a r g i n gw i t hO P P O Wo r i g i n a l c h a r g e r图 使用常规P D W充电器充电数据曲线F i g T h ed a t ac u r v ef o rc h a r g i n gu s i n gac o n v e n t i o n a lP D Wc h a r g e r图 常规P D W充电器经转换器后充电数据曲线F i g T h ed a t ac u r v ef o rc h a r g i n gu s i n gac o n v e n t i o n a lP D Wc h a r g e ra n dt h ec o n v e r t e r测试结果显示,原装充电器用时 m i ns,峰值输出功率约为 W;常规 W P D协议充电器用时 m i n s、峰值输出功率约为 W;常规充电器经转换器后用时 m i n s、峰值输出功率约为 W.分析可知,常规充电器经过转换器之后,充电用时仅需原来的,与原装充电器相比用时几乎相同,充电效果接近原装充电器.结束语设计了一款快速充电协议转换器,使不支持特定终端的电源适配器经转换后可以实现快速充电.转换器以C o r t e x M内核单片机为主控制器,控制外部大功率D C D C变换电路与输入输出充电协议控制器,并针对特定充电协议,采用单片机I O模拟时序的方式进行通信,对输出协议控制器进行补充,达到最大范围的兼容效果.设计的充电协议转换器有转换效率高、支持功率大、支持双路协同工作的优点,虽接近原装充电器的充电功率,但对于软件模式未专门适配的私有快充协议手机,其充电速度仍与原装充电器充电存在一定差距,因此提升转换器的充电协议匹配能力仍是未来的研究重点.参考文献汪鑫,罗雪姣,沈琪快充双协议识别方案设计J电子设计工程,():,徐春莹,赵晓昕,夏丽娇,等快速充电协议分析及测试平台搭建J现代电信科技,():李勇 U S BP D在移动 设备 快速 充 电中 的新 兴应 用J电子产品世界,():M a x i m MA X AU S B C降升压充电器解决方案J世界电子元器件,():张婷,刘亚强,王祖良,等 B u c kB o o s t变换器工作模式及控制策略的研究J宇航计测技术,():,朱雪帅应用于移动终端充电器的快充接口电路设计D南京:东南大学,李生晖基于T y p e C接口的U S B P D协议的设计与实现D西安:西安电子科技大学,柏殷实一种T y p e C线缆的U S B P D接口芯片设计D南京:东南大学,张海超,黄风光,曹建树,等基于S TM 的步进电机加减速优 化算 法J北 京 石油 化工 学院 学 报,():魏永祥,王彦 U S B_P D协议快充移动电源设计J南华大学学报(自然科学版),():第期张雷等一种快速充电协议转换器的设计