CN106571667A - 一种基于usb‑pd的适配器及快充方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于USB‑PD的适配器及快充方法，该适配器有包括AC‑DC转换电路，且输出均以标准的TYPE‑C端口或TYPE‑A端口，其特征在于该适配器还包括有DC‑DC转换电路，所述DC‑DC转换电路设置于AC‑DC转换电路与输出之间。该适配器及快充方法能够有效地解决提高用电设备充电效率问题，降低用电设备内部损耗及发热量。
Description
技术领域
本发明属于适配器的技术领域，特别涉及一种基于USB-PD的适配器。
背景技术
自从苹果公司2015年发布的笔记本电脑MacBook改搭USB Type-C界面，并将原有的Thunderbolt界面踢除后，USB Type-C顿时成为大众目光的焦点。在苹果拉开了TYPE-C接口的普及序幕后，经过一年的发展，越来越多的手机、平板厂商纷纷对TYPE-C和PD表示支持，TYPE-C和PD也大有统一接口和快充协议的趋势。
为了迎合TYPE-C和PD的普及浪潮，适配器配件领域也在悄悄发生着变化。PD适配器成为了各大厂商研发的重点。一种常见的PD适配器方案系统如图1所示。AC-DC模块输入端是90V～265V交流市电，输出直接是5V-20V直流电压。系统通过PD协议芯片直接控制AC-DC模块的反馈回路，直接使适配器输出用电设备所需要的电压电流。随着适配器六级能效标准的发布，该系统控制方式对AC-DC转换电路的设计要求非常高。由于是宽电压(5V-20V)直流输出，系统对AC-DC芯片的选择，特别是对系统的变压器参数的计算，滤波电感，电容的选型带来非常苛刻的要求，因为系统要兼顾的不再是以往设计的单电压点5V，而是5V-20V，如果没有经过精密的计算容易造成顾此失彼。而且器件体积也会因宽电压输出而增加一倍甚至更多。而且，该传统设计方式每一部分电路之间都有着紧密的关系，不利于系统设计模块化。
另外，常见的PD适配器设计方法都是采用固定电压点输出的方式，如5V，9V，12V，15V，20V电压输出。并不是真正意义上的宽电压5V-20V宽电压输出。这种方法不能很好的匹配用电设备所期望的电压电流值，容易造成用电设备充电效率不高，内部损耗严重和发热量大的问题。
如专利申请201510473396.6公开了一种移动终端、可直充电源适配器及充电方法，首先配置可直充电源适配器采用无线通信方式与移动终端通信，然后针对不同充电设备的通信引脚的配置情况的不同，在移动终端中设计充电类型识别策略，从而实现了移动终端对外部设备类型的自动识别。同时，针对可直充电源适配器设计专门的快充模式，在移动终端的电池集中充电的时段，利用可直充电源适配器输出的充电电压对电池进行大电流直充，并根据电池电压的变化动态地调整所述的充电电压的伏值，由此在保证电池充电安全的前提下，实现了电池充电速度的大幅提升，缩短了移动终端单次充电所需的时间，降低了因移动终端需要频繁、长时间充电给用户日常使用造成的影响。
然而，该专利申请所针对是常见的适配器，并不是基于TYPE-C标准的PD适配器，也不是宽电压5V-20V宽电压输出，无法匹配用电设备所期望的电压电流值，解决不了上述的问题。
发明内容
基于此，因此本发明的首要目地是提供一种基于USB-PD的适配器及快充方法，该适配器及快充方法能够有效地解决提高用电设备充电效率问题，降低用电设备内部损耗及发热量。
本发明的另一个目地在于提供一种基于USB-PD的适配器及快充方法，该适配器及快充方法便于提高PD适配器设计的模块化，简化系统器件参数的计算，减小系统器件的体积。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于USB-PD的适配器，该适配器有包括AC-DC转换电路，且输出均以标准的TYPE-C端口或TYPE-A端口，其特征在于该适配器还包括有DC-DC转换电路，所述DC-DC转换电路设置于AC-DC转换电路与输出之间；
所述的DC-DC转换电路包括有：滤波电路、Buck电路、与外部协商连接的PD协议芯片、；
所述滤波电路、Buck电路、PD协议芯片依次连接，且所述滤波电路连接于AC-DC转换电路，PD协议芯片接于输出。
进一步，所述DC-DC转换电路还包括有反馈电路和DC-DC控制芯片，所述反馈电路接于PD协议芯片，然后接于DC-DC控制芯片，所述DC-DC控制芯片接于Buck电路。
所述反馈电路包括有PWM反馈电路和DA反馈电路的任意一种或两种的结合，当包括有上述两种反馈电路时，所述PWM反馈电路和DA反馈电路并联与DC-DC控制芯片和PD协议芯片之间。
进一步地，所述的AC-DC转换电路，输入端是交流市电90V～265V，经过内部的桥式整流、滤波、变压、稳压、电流电压采样，闭环的反馈回路和AC-DC芯片的控制，输出是恒定直流20V。
更进一步，所述的DC-DC转换电路，输入端是恒定直流20V，经过内部滤波、Buck电路、与外部协商连接的PD协议芯片、反馈电路和DC-DC控制芯片，输出直流电压范围为：0V～20V。
更进一步，所述的DC-DC控制芯片，可以实现20V直流输入，0V-20V宽电压直流输出。
更进一步，所述的PD协议芯片，有完整的TYPE-C接口检测模块和PD协议收发装置，可以与用电设备进行PD协商充电电压和电流，通过控制反馈电路和DC-DC控制芯片，使快充适配器输出用电设备所需的电压，实现智能快速充电的目的。
所述的用电设备，包括但不限于现有的可充电设备，特别是移动设备，例如以下任意一种消费电子：移动电源，MP3，MP4，手机，平板，笔记本，虚拟现实头套。
一种基于USB-PD适配器的快充方法，包含以下步骤：
101、建立TYPE-C连接；
PD适配器通过监测CC信号线上的逻辑信号，快速判断用电设备接入并锁定CC电平，适配器默认输出5V给用电设备；
102、初始化PD配置；
建立TYPE-C连接后，PD适配器向用电设备发送source_cap数据包，宣告自己所支持的电压和电流，用电设备收到source_cap数据包后，对数据包进行解析并根据自身所需的电压和电流，回复包含Mismatch标志位的request数据包给适配器。
103、评估对方需求；
PD适配器收到用电设备返回的带Mismatch的request数据包后，适配器对数据包进行解析，在自身能满足用电设备所需的电压电流情况下，在15ms内发送accept指令给用电设备。
104、进入快充模式；
PD协议芯片通过控制DC-DC转换电路中的反馈电路和DC-DC芯片，使适配器输出用电设备所期望的充电电压和电流，并发送PS_Ready指令给用电设备，以宣告已完成用电设备所要求的电压电流，从而进入快充模式。
105、进入高效率快充模式；
PD适配器发送一个Get_Sink_cap数据包给用电设备，以获取用电设备所期望的电压和电流，用电设备收到Get_Sink_cap指令后会返回sink_cap数据包，里面包含自身所期望的电压电流值。PD适配器重新根据sink_cap数据包所要求的电压电流值重新发送Source_cap数据包给用电设备，用电设备自动选取刚刚自己所要求的电压电流，进入高效率快充模式。
进一步地，所述的一种基于USB-PD快充适配器的实现方法，在步骤S4中，PD协议芯片可通过以下两种方式的任意一种实现控制DC-DC转换电路中的反馈电路：一种是通过PWM占空比的方式反馈，一种是通过DA模拟电压信号反馈。
本发明所实现的基于USB-PD快充适配器装置，通过电路的规划，可以提高PD适配器设计的模块化，简化系统器件参数的计算，减小系统器件的体积。另外，本发明进一步提供一种基于USB-PD适配器的快充方法，可以达到提高用电设备充电效率，降低用电设备内部损耗及发热量的效果。
附图说明
图1是现有技术所实施的PD适配器原理框图。
图2是本发明所实施的PD适配器结构框图。
图3是本发明所实施的PD适配器快充流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见附图2所示，为本发明所实现的基于USB-PD的适配器，该适配器有包括AC-DC转换电路1、DC-DC转换电路2，该适配器的输出均以标准的TYPE-C端口或TYPE-A端口，DC-DC转换电路2设置于AC-DC转换电路1与输出之间。
图2中，AC-DC转换电路1为现有的电路结构，其包括有：桥式整流11、滤波模块12、变压模块13、稳压模块14、电流电压取样电路15、反馈电路16、AC-DC控制芯片17；由于AC-DC转换电路1是现有技术，在此不再赘述。
在DC-DC转换电路2中包含滤波电路21、Buck电路22、与外部协商连接的PD协议芯片23、反馈电路24和DC-DC控制芯片25。
其中，滤波电路21、Buck电路22、PD协议芯片23依次连接，且所述滤波电路连接于AC-DC转换电路1中的稳压模块14，PD协议芯片23接于输出；反馈电路24接于PD协议芯片，然后接于DC-DC控制芯片25，DC-DC控制芯片25则接于Buck电路22。
反馈电路24又包括PWM反馈电路241和DA反馈电路242(通常情况，反馈电路24包括有PWM反馈电路241和DA反馈电路242的任意一种)，当包括有上述两种反馈电路时，PWM反馈电路241和DA反馈电路242并联与DC-DC控制芯片25和PD协议芯片23之间。
AC-DC转换电路，输入端是交流市电90V～265V，经过内部的桥式整流、滤波、变压、稳压、电流电压采样，闭环的反馈回路和AC-DC芯片的控制，输出是恒定直流20V。
对于DC-DC转换电路，输入端是恒定直流20V，经过内部滤波、Buck电路、与外部协商连接的PD协议芯片、反馈电路和DC-DC控制芯片，输出直流电压范围为：0V～20V。
DC-DC控制芯片，可以实现20V直流输入，0V-20V宽电压直流输出；PD协议芯片，有完整的TYPE-C接口检测模块和PD协议收发装置，可以与用电设备进行PD协商充电电压和电流，通过控制反馈电路和DC-DC控制芯片，使快充适配器输出用电设备所需的电压，实现智能快速充电的目的。
通常，本文所说的用电设备，是指可通过适配器进行充电的电子设备，包括但不限于现有的可充电设备，特别是移动设备，例如移动电源，MP3，MP4，手机，平板，笔记本，虚拟现实头套等等。
图3所示，为本发明实现的基于USB-PD适配器的快充方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤S1：建立TYPE-C连接：PD适配器通过监测CC信号线上的逻辑信号，快速判断用电设备接入并锁定CC电平，适配器默认输出5V给用电设备。
步骤S2：初始化PD配置：建立TYPE-C连接后，PD适配器向用电设备发送source_cap数据包，宣告自己所支持的电压和电流，如5V/3A，9V/3A，15V/3A，20V/2.5A，用电设备收到source_cap数据包后，对数据包进行解析并根据自身期望的电压和电流，如自身期望的电压电流为12V/2A，但是PD适配器发送过来的source_cap数据包中没有，只能根据实际情况选取9V/3A档，并回复包含Mismatch标志位的request数据包给适配器。
步骤S3：评估对方需求：PD适配器收到用电设备返回的带Mismatch的request数据包后，适配器对数据包进行解析，在自身能满足用电设备所需的电压电流情况下，在规定时间，如15ms内发送accept指令给用电设备。
步骤S4：进入快充模式：PD协议芯片通过控制DC-DC转换电路中的反馈电路24和DC-DC芯片25，使适配器输出用电设备所期望的充电电压和电流9V/3A，并发送PS_Ready指令给用电设备，以宣告已完成用电设备所要求的电压电流，从而进入快充模式。
步骤S5：进入高效率快充模式：PD适配器发送一个Get_Sink_cap数据包给用电设备，以获取用电设备所期望的电压和电流，用电设备收到Get_Sink_cap指令后会返回sink_cap数据包，里面包含自身所期望的电压电流值12V/2A。PD适配器重新根据sink_cap数据包所要求的电压电流值重新发送Source_cap数据包给用电设备,如5V/3A，9V/3A，12V/2A，15V/3A，用电设备自动选取刚刚自己所要求的电压电流12V/2A，进入高效率快充模式。
在步骤S4中，PD协议芯片23可通过两种方式控制DC-DC转换电路中的反馈电路24，一种是通过PWM占空比的方式反馈241，一种是通过DA模拟电压信号反馈242。这两种方式可以只采用其中一种，也可以都采用。这两种反馈电路为使适配器输出提供所期望的充电电压和电流。
对于DA反馈242的模拟电压信号，是PD协议芯片自身数模DA输出的电压信号，或者是PD协议芯片输出PWM经过RC滤波后的模拟电压信号。
总之，本发明所实现的基于USB-PD快充适配器装置，可以简化系统器件参数的计算，减小系统器件的体积，提高PD适配器设计的模块化。
同时，本发明所实现的快充方法，由于电路结构决定了PD适配器可以实现0V-20V电压输出，可以满足PD所有用电设备的电压需求，而且电路结构模块化，参数固定，便于设计。
传统的PD适配器由于只能实现单点电压输出，所以在pd适配器协议上都不会发送get_sink_cap去获取用电设备所需要的充电电压这个步骤，因为它不能满足用电设备的需求。而现在设计的电路结构可以满足PD所有用电设备的电压需求，所以可以通过get_sink_cap去获取用电设备所需要的充电电压，然后输出对应的电压来达到最佳充电电压的要求，从而实现高效率充电。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于USB-PD的适配器，该适配器有包括AC-DC转换电路，且输出均以标准的TYPE-C端口或TYPE-A端口，其特征在于该适配器还包括有DC-DC转换电路，所述DC-DC转换电路设置于AC-DC转换电路与输出之间；
所述的DC-DC转换电路包括有：滤波电路、Buck电路、与外部协商连接的PD协议芯片、；
所述滤波电路、Buck电路、PD协议芯片依次连接，且所述滤波电路连接于AC-DC转换电路，PD协议芯片接于输出。
2.如权利要求1所述的基于USB-PD的适配器，其特征在于所述DC-DC转换电路还包括有反馈电路和DC-DC控制芯片，所述反馈电路接于PD协议芯片，然后接于DC-DC控制芯片，所述DC-DC控制芯片接于Buck电路。
3.如权利要求2所述的基于USB-PD的适配器，其特征在于所述反馈电路又包括有PWM反馈电路和DA反馈电路的任意一种或两种的结合，当包括有上述两种反馈电路时，所述PWM反馈电路和DA反馈电路并联与DC-DC控制芯片和PD协议芯片之间。
4.如权利要求1所述的基于USB-PD的适配器，其特征在于所述的AC-DC转换电路，输入端是交流市电90V～265V，经过内部的桥式整流、滤波、变压、稳压、电流电压采样，闭环的反馈回路和AC-DC芯片的控制，输出是恒定直流20V。
5.如权利要求1所述的基于USB-PD的适配器，其特征在于所述的DC-DC转换电路，输入端是恒定直流20V，经过内部滤波、Buck电路、与外部协商连接的PD协议芯片、反馈电路和DC-DC控制芯片，输出直流电压范围为：0V～20V。
6.一种基于USB-PD适配器的快充方法，其特征在于该方法包含以下步骤：
101、建立TYPE-C连接；适配器通过监测CC信号线上的逻辑信号，快速判断用电设备接入并锁定CC电平，适配器默认输出5V给用电设备；
102、初始化PD配置；
103、评估对方需求；适配器收到用电设备返回的数据包后，对数据包进行解析，在自身能满足用电设备所需的电压电流情况下，在规定时间内发送接受指令给用电设备；
104、进入快充模式；
105、进入高效率快充模式。
7.如权利要求6所述的基于USB-PD适配器的快充方法，其特征在于所述102步骤中，建立TYPE-C连接后，适配器向用电设备发送source_cap数据包，宣告自己所支持的电压和电流，用电设备收到source_cap数据包后，对数据包进行解析并根据自身所需的电压和电流，回复包含Mismatch标志位的request数据包给适配器。
8.如权利要求6所述的基于USB-PD适配器的快充方法，其特征在于所述104步骤中，PD协议芯片通过控制DC-DC转换电路中的反馈电路和DC-DC芯片，使适配器输出用电设备所期望的充电电压和电流，并发送PS_Ready指令给用电设备，以宣告已完成用电设备所要求的电压电流，从而进入快充模式。
9.如权利要求6所述的基于USB-PD适配器的快充方法，其特征在于适配器发送一个Get_Sink_cap数据包给用电设备，以获取用电设备所期望的电压和电流，用电设备收到Get_Sink_cap指令后会返回sink_cap数据包，里面包含自身所期望的电压电流值。PD适配器重新根据sink_cap数据包所要求的电压电流值重新发送Source_cap数据包给用电设备，用电设备自动选取刚刚自己所要求的电压电流，进入高效率快充模式。
10.如权利要求6所述的基于USB-PD适配器的快充方法，其特征在于所述的方法，在步骤104中，PD协议芯片可通过以下两种的任意一种方式控制DC-DC转换电路中的反馈电路：一种是通过PWM反馈电路的占空比方式，一种是通过DA反馈电路的模拟电压信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170419 |