基于USB PD协议的快速充电系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于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。本发明专利技术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。

Fast charging system and method based on USB PD protocol

The invention discloses a quick charging system USB PD protocol and method based on the system, including the power adapter and device; adapter comprises a first input port, an output port and a first transformer rectifier filter regulator circuit, transformer rectifier filter regulator circuit includes a first data USB PD protocol and data communication with the electric equipment processing based on the electric device comprises a chip; the output port second is connected to the first input port, a rechargeable battery and a charging control circuit, the charging control circuit comprises a USB PD protocol and data communication adapter second data processing chip, BUCK voltage converter and constant current charging circuit based on the output port; first and second input ports are Type C standard USB port or USB port Micro. The invention is composed of electric devices directly through the USB PD protocol adapter to adjust the output voltage to a constant current output mode of the specified parameters, high charging efficiency, but also reduces the power loss and heating device inside.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及消费性电子产品充电
，尤其是指基于USBPD协议的快速充电系统及方法。
技术介绍
手机、MP3、MP4、平板等消费性电子产品多数都采用MicroUSB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USB2.0的2.5W、USB3.0的4.5W，还是USBBC1.2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（QuickCharge）标准以及TI公司提出的MaxCharge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MicroUSB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（USBImplementersForum，USB应用者论坛）于2012年7月首度公布USBPowerDelivery（PD）1.0协议规范，设定了5种供电设定级别（Profile1～5），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。USBPD协议规范还能够跟既有USB3.0/2.0、BC1.2/1.1/1.0充电规范兼容。USBPD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USBPD协议规范急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种基于USBPD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。本专利技术进一步要解决的技术问题在于，提供一种基于USBPD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，本专利技术提供如下技术方案：一种基于USBPD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USBPD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USBPD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TypeC标准的USB端口或MicroUSB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，本专利技术还提供一种基于USBPD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USBPD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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
1.一种基于USBPD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USBPD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USBPD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TypeC标准的USB端口或MicroUSB端口。
2.如权利要求1所述的基于USBPD协议的快速充电系统，其特征在于，所述恒流充电电路为低阻抗的过流和过压保护开关。
3.如权利要求1所述的基于USBPD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。
4.一种基于USBPD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USBPD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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘小灵，
申请(专利权)人：深圳市乐得瑞科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44