CN105656162B - 基于usb pd协议的快速充电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于USB PD协议的快速充电系统及方法，该系统包括适配器和用电装置；适配器包括第一输入端口、第一输出端口及变压整流滤波稳压电路，变压整流滤波稳压电路包括基于USB PD协议的且与用电装置数据通讯的第一数据处理芯片；用电装置包括与第一输出端口相连的第二输入端口、可充电电池及充电控制电路，充电控制电路包括基于USB PD协议的且与适配器数据通讯的第二数据处理芯片、BUCK电压变换电路及恒流充电电路；第一输出端口和第二输入端口均为Type C标准的USB端口或Micro USB端口。本发明由用电装置直接通过USB PD协议调整适配器输出电压大小让其进入指定参数的恒流输出工作模式，充电效率高，而且降低了用电装置内部的功率损耗及发热。

Description

基于USB PD协议的快速充电系统及方法

技术领域

本发明涉及消费性电子产品充电技术领域，尤其是指基于USB PD协议的快速充电系统及方法。

背景技术

手机、MP3、MP4、平板等消费性电子产品多数都采用Micro USB端口实现充电，但受限于传统的USB充电规范，充供电功率相对较小，无论是USB 2.0的2.5W、USB 3.0的4.5W，还是USB BC 1.2的7.5W，虽然可以满足诸如手机、MP3的电池容量相对较小的用电装置的充电需求，但仍然需要耗费很多时间才能将电池充满。

而随着手机、平板电脑等消费性电子产品的功能越来越强大，耗电量也日渐增大，而电池容量提升有限，导致充电频率越来越高，为此，如何实现电子产品的快速充电已经成为各大厂商重点研发的方向。目前，较为成熟的快速充电技术包括高通公司提出的QC（Quick Charge）标准以及TI公司提出的Max Charge标准等。但是，这些技术标准都以提高充电电压为基本手段，存在着电压变换带来的功率损耗大、用电产品充电过程中发热量大以及通用性差等问题。

以手机为例，传统的手机快速充电遇到的问题主要有：第一、电池自身的电化学特性不允许。目前，主流手机的平均电池容量在2.5AH左右，按照高能量密度锂离子电池的设计，充电电流不超过2.5A，在此前提下，手机充满电的时间理论极限值是1小时，实际不少于1.5小时。第二、充电回路的接口及连线阻抗问题。第三、手机内部的散热问题。传统的手机内部充电控制电路，是把外部电源通过BUCK电压变换电路进行降压，然后给手机电池进行充电。由于BUCK电压变换电路中的电感和开关MOS都会消耗能量，进而在手机的狭小空间内部带来较高的温升。

以上第一点的问题涉及电池材料及工艺本身的发展，进展相当缓慢，而使得不少的厂商更多地通过改进充电控制来提高充电速度。高通公司提出的QC标准，试图通过提升电压，降低电流的方法来突破Micro USB接口以及连接线无法承载大电流问题，以获得更快的充电速度，在这方面，确实取得了一定的成效，并获得了主流安卓手机的支持，但是，QC技术标准仍然存在手机内部DC-DC转换电路的散热问题。

此外，USB-IF（USB Implementers Forum，USB应用者论坛）于2012年7月首度公布USB Power Delivery（PD） 1.0协议规范，设定了5种供电设定级别（Profile 1～5），最高可达100瓦的电力传输量，而且，供电端（Source）与接电端（Sink）具有可以互向的双向式的电源供应特性，从而可以让各种用电装置均能通过一条USB线缆满足供电需求，缩短装置充电时间并优化行动应用的便利性。USB PD协议规范还能够跟既有USB 3.0/2.0、BC 1.2/1.1/1.0充电规范兼容。USB PD协议规范具有广阔的应用前景，但是，如何将技术规范产品化却是当前推广USB PD协议规范急需解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于USB PD协议的快速充电系统，以提高用电装置的充电效率，且降低功率损耗和用电装置在充电时的发热量。

本发明进一步要解决的技术问题在于，提供一种基于USB PD协议的快速充电方法，以提高用电装置的充电效率，且降低功率损耗和用电装置在充电时的发热量。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于USB PD协议的快速充电系统，包括适配器和通过USB线缆连接至适配器以由适配器予以充电的用电装置；

所述适配器包括：

用于与市电网络相连的第一输入端口；

用于与用电装置相连的第一输出端口；以及

连接于第一输入端口和第一输出端口之间的变压整流滤波稳压电路，所述变压整流滤波稳压电路还包括基于USB PD协议的且与用电装置进行数据通讯并相应控制变压整流滤波稳压电路工作状态的第一数据处理芯片以及依次串联于第一输入端口和第一输出端口之间的变压模块、整流模块、滤波模块和稳压模块，其中，变压模块还与第一数据处理芯片相连以根据第一数据处理芯片的控制指令调整输出电压值；

所述用电装置包括：

用于与适配器的第一输出端口相连的第二输入端口；

可充电电池；以及

连接于第二输入端口和可充电电池之间的充电控制电路，所述充电控制电路包括基于USB PD协议的且与适配器进行数据通讯以相应控制充电控制电路工作状态的第二数据处理芯片、BUCK电压变换电路以及恒流充电电路，所述第二数据处理芯片根据与适配器的第一数据处理芯片进行数据通讯的结果以确定当前充电模式而选定所需对应采用的充电电路并对应调整适配器的输出电压；

所述第一输出端口和第二输入端口均为基于Type C标准的USB端口或Micro USB端口。

进一步地，所述恒流充电电路为低阻抗的过流和过压保护开关。

进一步地，所述用电装置为以下消费性电子产品中的任意一种：手机、平板电脑、MP4、MP3、移动电源、虚拟现实头套。

另一方面，本发明还提供一种基于USB PD协议的快速充电方法，包括以下步骤：

步骤S1，建立TYPE-C连接：适配器与用电装置通过TYPE-C标准的USB线缆建立CC连接，适配器默认输出5V给用电装置，用电装置进入传统的BUCK模式进行低电流慢速充电；

步骤S2，初始PD通信配置：建立CC连接后，适配器还向用电装置发送Source_cap数据包，告知用电装置适配器所支持的充电电压和电流，用电装置收到Source_cap数据包后，回复一个包含Mismatch标志位的request数据包，此时，用电装置的充电控制电路仍维持在传统的BUCK充电模式；

步骤S3，进入USB PD恒流快充模式：适配器在检测到带Mismatch的request数据包后，再发送一个Get_sink_cap数据包给用电装置，询问用电装置所期望的电压和电流，用电装置收到Get_sink_cap数据包后，根据用电装置的可充电电池的当前电压和对充电电流的要求，回复一个Sink_cap数据包，适配器收到用电装置发送过来的Sink_cap数据包之后，重新调整自己的Source_cap数据包，释放出用电装置在Sink_cap数据包中所要求的电压和电流档位；用电装置收到对应的Source_cap数据包后，确认对方为支持PD快充的适配器，并请求自己刚才所要求的电压和电流，适配器则输出对应的电压值进入恒流充电阶段；

步骤S4，恒压充电：可充电电池的当前电压达到额定最高值之后，从恒流充电模式切换到恒压充电模式，由BUCK电压变换电路对可充电电池进行充电直至充满。

进一步地，步骤S3中，用电装置回复给适配器的首个Sink_cap数据包中请求的电压值为可充电电池的当前电压值。

进一步地，步骤S3中，进入恒流快充模式后，用电装置检测到充电电流小于恒流充电设定范围时，发送带Mismatch标志位的request数据包，适配器接受这个request数据包，并快速回复ps_ready数据包，应答完成后，适配器发送get_sink_cap数据包，用电装置则在sink_cap数据包中，放置一个比上一次高预定的步进差值的电压值，适配器在收到sink_cap数据包后，根据用电装置的指示来调整source_cap数据包的内容，并完成电压的提升和输出，由此逐渐增加充电电流至设定的恒流充电电流范围内。

进一步地，用电装置发送的带Mismatch标志位的request数据包的内容与最近一次request数据包的内容仅在Mismatch标志位不同，其他内容完全一致。

进一步地，预定的步进差值为50mV。

进一步地，步骤S3中，用电装置回复给适配器的sink_cap数据包中，所要求的电压和电流是可变电源数据包，并在该可变电源数据包中给出恒流充电的工作电流，适配器收到此类型的请求后，进入恒流工作模式，在后续的恒流充电过程中，适配器自动调整电压以维持对用电装置的恒流供电。

进一步地，在步骤S3中，用电装置还对可充电电池进行阻抗补偿，用测量到的可充电电池的实测电压值减去可充电电池的内阻和充电电流的乘积，以最终获得的差值作为可充电电池的当前电压值。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明基于USB-IF组织公开发布的USB PD协议，并结合TYPE-C标准的端口，在用电装置电池恒流充电阶段，用电装置内部充电控制电路不对适配器输出的电压进行DC/DC变换，而是直接通过USB PD协议去调整适配器的输出电压大小让其进入指定参数的恒流输出工作模式，从而满足用电装置恒流充电电流的大小。从而在加大充电电流的情况下，降低了用电装置内部的功率损耗以及发热，让更快速的充电成为可能。

附图说明

图1是本发明基于USB PD协议的快速充电系统的原理框图。

图2是本发明基于USB PD协议的快速充电方法的恒流充电过程示意图。

图3是本发明基于USB PD协议的快速充电方法的USB PD初始化建立的过程示意图。

图4是本发明基于USB PD协议的快速充电方法的用电装置主动发起电压上调的过程示意图。

图5是本发明基于USB PD协议的快速充电方法的用电装置指定适配器进入恒流工作模式的过程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于USB PD协议的快速充电系统，包括适配器1和由适配器1予以充电的用电装置2。

在本发明的基于USB PD协议的快速充电系统中，所述适配器1作为供电端，而用电装置2作为接电端，两者通过USB线缆实现连接。

所述适配器1包括：

用于与市电网络相连的第一输入端口10；

用于与用电装置2相连的第一输出端口12；以及

连接于第一输入端口10和第一输出端口12之间的变压整流滤波稳压电路14，所述变压整流滤波稳压电路14还包括基于USB PD协议的且与用电装置2进行数据通讯并相应控制变压整流滤波稳压电路14工作状态的第一数据处理芯片140以及依次串联于第一输入端口10和第一输出端口12之间的变压模块142、整流模块144、滤波模块146和稳压模块148，其中，变压模块142还与第一数据处理芯片140相连以根据第一数据处理芯片140的控制指令调整输出电压值。

所述用电装置2可以为手机、平板电脑、MP4、MP3、移动电源、虚拟现实头套（VR头套）等各种消费性电子产品。具体地，所述用电装置2包括：

用于与适配器1的第一输出端口12相连的第二输入端口20；

可充电电池22；以及

连接于第二输入端口20和可充电电池22之间的充电控制电路24，所述充电控制电路24包括基于USB PD协议的且与适配器1进行数据通讯以相应控制充电控制电路24工作状态的第二数据处理芯片240、BUCK电压变换电路242以及恒流充电电路244。其中，BUCK电压变换电路242可实现对可充电电池22的恒压充电和涓流充电，而所述恒流充电电路244可实现对可充电电池22的恒流充电，优选地，所述恒流充电电路244只需要一个低阻抗的过流和过压保护开关。所述第二数据处理芯片240根据与适配器1的第一数据处理芯片140进行数据通讯的结果以确定当前充电模式，从而选定所需对应采用的充电电路。

所述第一输出端口12和第二输入端口20均为基于Type C标准的用于与适配器对接的USB端口或Micro USB端口。由于TYPE-C标准的端口允许最大5A电流，而当前的诸如用电装置等小型消费性电子产品的电池一般都是在小于1.5C的条件下充电，由此，传统USB端口充电存在的接口及连线阻抗问题可以很好地得到解决。

本发明基于USB PD协议的快速充电系统由适配器1和用电装置2进行通讯，进行确定当前需要采用的充电模式，即：涓流及恒压充电模式、恒流充电模式。在涓流及恒压充电模式下，通过用电装置2内部的BUCK电压变换电路242对可充电电池22进行充电；而在恒流充电模式下，用电装置2并不对由适配器1输入的电压进行变换，而是通过USB PD协议直接调整适配器1的输出电压，从而稳定往可充电电池22充电的电流。尤其是再通过阻抗补偿处理，可以最大限度地延长恒流充电的时间，缩短恒压充电的时间，从而可以最大程度地减小了BUCK电压变换电路242工作带来的功率损耗大、发热量大的问题，为进一步提升充电速度提供了可能。

结合图2~图5所示，本发明还提供一种基于USB PD协议的快速充电方法，包括以下步骤：

步骤S1，建立TYPE-C连接。适配器1与用电装置2通过TYPE-C标准的USB线缆建立CC连接，适配器1默认输出5V给用电装置2，用电装置2进入传统的BUCK模式进行低电流慢速充电；

步骤S2，初始PD通信配置。建立CC连接后，适配器1还向用电装置2发送Source_cap数据包，告知用电装置2适配器1所支持的充电电压和电流，例如5V/5A，9V3A，12V2A，用电装置2收到Source_cap数据包后，回复一个包含Mismatch标志位的request数据包，此时，用电装置2的充电控制电路24仍维持在传统的BUCK充电模式，充电电流一般维持在2A以下；

步骤S3，进入USB PD恒流快充模式。适配器1在检测到带Mismatch的request数据包后，再发送一个Get_sink_cap数据包给用电装置2，询问用电装置2所期望的电压和电流，用电装置2收到Get_sink_cap数据包后，根据当前用电装置2的可充电电池22的电压和对充电电流的要求，回复一个Sink_cap数据包，优选地，首个Sink_cap数据包中请求的电压值为可充电电池22的当前电压值，这样，切换过来之后的充电电流应该是接近0。适配器1收到用电装置2发送过来的Sink_cap数据包之后，重新调整自己的Source_cap数据包，释放出用电装置2在Sink_cap数据包中所要求的电压和电流档位。用电装置2收到对应的Source_cap数据包后，确认对方为支持PD快充的适配器，并请求自己刚才所要求的电压和电流。适配器1则输出对应的电压值。随后，根据恒流充电策略设定的电流大小范围，由用电装置2向适配器1请求电压的升高或者降低，优选地，最小步进值为50mV。执行步骤（以提升电流为例）如下：用电装置2检测到充电电流小于恒流充电设定范围时，发送带Mismatch标志位的request数据包，优选地，这个request数据包的内容与最近一次request数据包的内容仅在Mismatch标志位不同，其他内容完全一致。适配器1会以accept接受这个request数据包，并快速回复ps_ready数据包，因为请求的内容没有变化，所以根本不需要做电源切换，ps_ready数据包可以在20ms以内就应答回去。应答完成后，适配器1发送get_sink_cap数据包，用电装置2则在sink_cap数据包中，放置一个比上一次高50mv的电压值。适配器1在收到sink_cap数据包后，根据用电装置2的指示来调整source_cap数据包的内容，并完成电压的提升和输出。从而一步一步地增加充电电流至设定的恒流充电电流范围内。

恒流充电过程决定了用电装置的充电速度，因此，在恒流充电过程中，用电装置2内部要对电池进行阻抗补偿，即，用测量到的可充电电池22的实测电压值减去可充电电池22的内阻和充电电流的乘积，以最终获得的差值作为可充电电池22的当前电压值。通过阻抗补偿，可以最大可能的延长恒流充电的时间，缩短恒压充电的时间。

步骤S4，恒压充电。补偿之后的电池电压达到额定最高值之后，才从恒流充电切换到恒压充电，由BUCK电压变换电路242对可充电电池22进行充电，通常地，恒压充电的最大电流不大于2A。

在本发明的另一个实施方式中，对步骤S3进行了调整，具体是在用电装置回复给适配器的sink_cap数据包中，所要求的电压和电流是可变电源数据包（Variable SupplyPDO），并在该可变电源数据包中给出恒流充电的工作电流，适配器收到此类型的请求后，进入恒流工作模式，在后续的恒流充电过程中，适配器自动调整电压以维持对用电装置的恒流供电。

用电装置2通过Sink Cap数据包中的可变电源数据包中的最高电压（MaximumVoltage）、最低电压（Minimum Voltage）和工作电流（Operational Current）来指定恒流工作电流以及电压变化范围。适配器1收到数据包后，进入恒流工作模式，为用电装置2提供恒定的充电电流。从而简化了用电装置2的充电管理环路。

能够多大程度在恒流模式完成电池的充电，是衡量快速充电方法是否优秀的重要指标。与传统的非快充模式相比，本发明可以提供更大的电流，与QC快充相比，由于恒流过程不使用BUCK电压变换电路，可以降低损耗及用电装置的散热压力。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (9)

1.一种基于USB PD协议的快速充电系统，包括适配器和通过USB线缆连接至适配器以由适配器予以充电的用电装置；其特征在于，

所述适配器包括：

用于与市电网络相连的第一输入端口；

用于与用电装置相连的第一输出端口；以及

连接于第一输入端口和第一输出端口之间的变压整流滤波稳压电路，所述变压整流滤波稳压电路还包括基于USB PD协议的且与用电装置进行数据通讯并相应控制变压整流滤波稳压电路工作状态的第一数据处理芯片以及依次串联于第一输入端口和第一输出端口之间的变压模块、整流模块、滤波模块和稳压模块，其中，变压模块还与第一数据处理芯片相连以根据第一数据处理芯片的控制指令调整输出电压值；

所述用电装置包括：

用于与适配器的第一输出端口相连的第二输入端口；

可充电电池；以及

连接于第二输入端口和可充电电池之间的充电控制电路，所述充电控制电路包括基于USB PD协议的且与适配器进行数据通讯以相应控制充电控制电路工作状态的第二数据处理芯片、BUCK电压变换电路以及恒流充电电路，所述第二数据处理芯片根据与适配器的第一数据处理芯片进行数据通讯的结果以确定当前充电模式而选定所需对应采用的充电电路并对应调整适配器的输出电压；

所述第一输出端口和第二输入端口均为基于Type C标准的USB端口或Micro USB端口。

2.如权利要求1所述的基于USB PD协议的快速充电系统，其特征在于，所述用电装置为以下消费性电子产品中的任意一种：手机、平板电脑、MP4、MP3、移动电源、虚拟现实头套。

3.一种用于如权利要求1或2所述的基于USB PD协议的快速充电系统的基于USB PD协议的快速充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，建立TYPE-C连接：适配器与用电装置通过TYPE-C标准的USB线缆建立CC连接，适配器默认输出5V给用电装置，用电装置进入传统的BUCK模式进行低电流慢速充电；

步骤S2，初始PD通信配置：建立CC连接后，适配器还向用电装置发送Source_cap数据包，告知用电装置适配器所支持的充电电压和电流，用电装置收到Source_cap数据包后，回复一个包含Mismatch标志位的request数据包，此时，用电装置的充电控制电路仍维持在传统的BUCK充电模式；

步骤S3，进入USB PD恒流快充模式：适配器在检测到带Mismatch的request数据包后，再发送一个Get_sink_cap数据包给用电装置，询问用电装置所期望的电压和电流，用电装置收到Get_sink_cap数据包后，根据用电装置的可充电电池的当前电压和对充电电流的要求，回复一个Sink_cap数据包，适配器收到用电装置发送过来的Sink_cap数据包之后，重新调整自己的Source_cap数据包，释放出用电装置在Sink_cap数据包中所要求的电压和电流档位；用电装置收到对应的Source_cap数据包后，确认对方为支持PD快充的适配器，并请求自己刚才所要求的电压和电流，适配器则输出对应的电压值进入恒流充电阶段；

步骤S4，恒压充电：可充电电池的当前电压达到额定最高值之后，从恒流充电模式切换到恒压充电模式，由BUCK电压变换电路对可充电电池进行充电直至充满。

4.如权利要求3所述的基于USB PD协议的快速充电方法，其特征在于，步骤S3中，用电装置回复给适配器的首个Sink_cap数据包中请求的电压值为可充电电池的当前电压值。

5.如权利要求3所述的基于USB PD协议的快速充电方法，其特征在于，步骤S3中，进入恒流快充模式后，用电装置检测到充电电流小于恒流充电设定范围时，发送带Mismatch标志位的request数据包，适配器接受这个request数据包，并快速回复ps_ready数据包，应答完成后，适配器发送get_sink_cap数据包，用电装置则在sink_cap数据包中，放置一个比上一次高预定的步进差值的电压值，适配器在收到sink_cap数据包后，根据用电装置的指示来调整source_cap数据包的内容，并完成电压的提升和输出，由此逐渐增加充电电流至设定的恒流充电电流范围内。

6.如权利要求5所述的基于USB PD协议的快速充电方法，其特征在于，用电装置发送的带Mismatch标志位的request数据包的内容与最近一次request数据包的内容仅在Mismatch标志位不同，其他内容完全一致。

7.如权利要求5所述的基于USB PD协议的快速充电方法，其特征在于，预定的步进差值为50mV。

8.如权利要求3所述的基于USB PD协议的快速充电方法，其特征在于，步骤S3中，用电装置回复给适配器的sink_cap数据包中，所要求的电压和电流是可变电源数据包，并在该可变电源数据包中给出恒流充电的工作电流，适配器收到此类型的请求后，进入恒流工作模式，在后续的恒流充电过程中，适配器自动调整电压以维持对用电装置的恒流供电。

9.如权利要求3所述的基于USB PD协议的快速充电方法，其特征在于，在步骤S3中，用电装置还对可充电电池进行阻抗补偿，用测量到的可充电电池的实测电压值减去可充电电池的内阻和充电电流的乘积，以最终获得的差值作为可充电电池的当前电压值。