CN107359663A - 一种基于快充协议mcu控制调压装置及调压方法 - Google Patents

一种基于快充协议mcu控制调压装置及调压方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于快充协议MCU控制调压装置及调压方法，该调压装置至少包括单串锂电池组、Boost升压模块、MCU主控模块、放电输出模块以及快充协议识别模块；所述快充协议识别模块连接于MCU主控模块；单串锂电池组与Boost升压模块相连，MCU主控模块通过PWM输出管脚与PWM驱动相连，PWM驱动正常工作后输出一组互补PWM，通过这组互补PWM与Boost升压模块相连，这样MCU就可以通过PWM控制Boost升压模块升压输出，Boost升压模块后接有放电输出模块，从而进行电力输出，将MCU控制的同步整流升压的输出电压通过放电输出模块输出给充电设备。

Description

一种基于快充协议MCU控制调压装置及调压方法
技术领域
本发明属于快充技术领域，特别涉及基于快充协议的调压装置及调压方法。
背景技术
随着手机在人们的生活、工作、娱乐中使用的频率越来越高，手机续航显得越来越重要，人们对手机充电的需求也愈加强烈。不仅是手机电池的容量，其快速充电的能力也是消费者所普遍看重的。而作为手机的配件：如移动电源、车充标配快充功能也是必然趋势。目前市面上现有的快充移动电源、车充方案，都是使用DC-DC+快充协议芯片的方式来设计的。这些快充协议芯片都是针对DC-DC的FB反馈电压而设计的，其工作原理一般是：在快充协议芯片与充电设备握手协议后，会直接通过反馈脚来调整DC-DC的FB反馈脚，最终达到输出一个充电设备需要的电压。这种设计方法普遍成本较高，且外围器件较多，系统方案发热集中，要达到真正普及到移动电源中，难度较大。
如专利申请201520844939.6公开了一种双USB快充插座；包括壳体，设置于壳体内的主控电路，设置于壳体外的供电插头、第一USB输出接口及第二USB输出接口，主控电路包括防雷保护电路、EMI电路、桥式整流滤波电路、第一功率变换电路、第一次级整流滤波电路、第二功率变换电路及第二次级整流滤波电路；防雷保护电路与供电插头连接；EMI电路与防雷保护电路连接；桥式整流滤波电路与EMI电路连接；第一功率变换电路与桥式整流滤波电路连接；第一次级整流滤波电路与第一功率变换电路连接；第二功率变换电路与桥式整流滤波电路连接；第二次级整流滤波电路与第二功率变换电路连接。该方法虽然能够通过USB接口对两个设备进行快充，但是其仍然是基于DC-DC+快充协议的方式来实现的，电路设计复杂，成本较高，且外围器件较多，系统方案发热集中。
发明内容
基于此，因此本发明的首要目地是提供一种基于快充协议MCU控制调压装置及调压方法，该装置及方法既可保证快充协议的可靠性和兼容性，又优化资源，降低方案的成本。
本发明的另一个目地在于提供一种基于快充协议MCU控制调压装置及调压方法，该装置及方法首先会让快充协议与充电设备沟通握手充电协议，然后通过MCU去检测反馈信号并控制输出电压调整到需要的电压，特别适用于给目前市面上的快充手机充电。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于快充协议MCU控制调压装置，其特征在于调压装置至少包括单串锂电池组、Boost升压单元、MCU主控模块、放电输出模块以及快充协议识别模块；所述快充协议识别模块连接于MCU主控模块；所述Boost升压单元包括有Boost升压模块和PWM驱动；单串锂电池组与Boost升压模块相连，Boost升压模块再与另外两个Boost升压模块相连，组合成一个Boost同步整流升压电路，MCU主控模块通过PWM输出管脚与PWM驱动，PWM驱动正常工作后输出一组互补PWM，通过这组互补PWM与Boost升压模块相连，这样MCU就可以通过PWM控制Boost升压模块升压输出，Boost升压模块后接有放电输出模块，从而进行电力输出，将MCU控制的同步整流升压的输出电压通过放电输出模块输出给充电设备。
所述快充协议识别模块中的快充协议可以是高通QC2.0/3.0协议、华为FCP/SCP协议、MTK的PE2.0协议、三星AFC协议、苹果2.4、BC1.2协议等，其输出电压可以包含5V～12V。
进一步，Boost升压模块包括并连在一起的两个Boost升压模块及PWM驱动，PWM驱动的PWMH与一个Boost升压模块相连，PWM驱动的PWML与另一个Boost升压模块相连；其中一个Boost升压模块连接于PWM及接地端，另一个Boost升压模块连接于PWM及VBUS。
进一步，该装置还包括有LDO供电模块，因为MCU一般为低压工艺，而本发明的输出电压包含5V-12V。所以需通过LDO供电模块与MCU主控模块相连，为MCU工作提供一个稳定的工作电压。
进一步，Boost升压模块同时还与快充协议识别模块相连，为快充协议识别提供工作电压。
更进一步，快充协议识别模块正常工作后将会通过D+、D-与放电输出模块相连，将通过D+、D-与充电设备进行快充协议沟通，快充协议沟通完成后将通过FB反馈脚输出反馈信号，并与快充协议识别模块电阻R1、R2相连，最后与MCU主控模块相连，MCU将检测快充协议识别模块的反馈信号，再通过PWM控制Boost升压模块升压输出充电设备所需的充电电压。
进一步，所述MCU主控模块还与LED显示模块相连，MCU将会通过LED显示目前充电的状态，让消费者能够清楚的掌握目前的充电情况。
一种基于快充协议MCU控制调压方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤1：搭建充电装置：MCU主控模块输出高速PWM通过半桥驱动芯片后，输出一对互补PWM，可直接驱动两个NMOS进行升压，输出电压Vout的大小可通过调整MCU输出的PWM的占空比η来进行调整。
进一步，MCU再通过高精度ADC检测输出电压信号，通过ADC检测输出电压Vout的大小来调整PWM的占空比来达到恒压输出的效果。
输出电压计算公式：Vout＝Vin/η
通过上面计算公式，可以调整PWM占空比η输出一个需要的输出电压。因为目前USB输出会有一个默认的电压：5V，所以目前市面上的快充技术都是先输出5V再通过快充协议调整输出电压。因此本发明方法也需先输出5V。
步骤2：MCU检测到系统已将输出电压调整到5V，然后会将USB输出MOS管打开，这样被充电设备就开始进入充电模式。
步骤3：当充电设备进入充电模式时，系统的快充协议芯片也同时开始与充电设备进行协议沟通，协议沟通完成后，将会通过FB脚反馈出来。
一般快充协议的FB反馈脚是通过内置电流源或下拉电阻来做的。系统默认电压输出时，快充协议芯片的内置电流源不工作或内置下拉电阻不下拉，相当于即没电流流入快充协议芯片也没有电流流出快充协议芯片。这样快充协议芯片的反馈就取决于外面接的上下拉电阻R1和R2。一般这个电阻的分压值就是默认输出5V的分压值。如果协议沟通后，充电设备需要将输出电压调高，那么快充协议芯片就会启动下拉的电流源或启动下拉电阻将FB外接电阻的分压值降低，相反如果协议沟通后，被充电设备需要将输出电压调低，那么快充协议芯片就会启动上拉的电流源或断开部分下拉电阻将FB外接电阻的分压值升高。这样只要通过MCU的高精度ADC就可以检测到被充电设备需要的输出电压。
步骤4：MCU通过高精度ADC检测到充电设备所需的电压后，再通过调整PWM的占空比η，将输出电压调至充电设备所需的电压值，并通过快充指示灯来指示当前处于快充模式。这样就实现了给快充设备快速充电的效果。
步骤5：如果这时充电设备拔出，这时快充协议芯片检测到D+,D-没有信号后，将会关闭内置电流源或断开内置的下拉电阻。这样输出电压就会回到默认的5V电压，回到普通充电模式。并MCU将关闭快充状态指示灯。
本发明所实现的调压装置及调压方法，升压是通过MCU直接控制MOS管进行同步整流升压的，并没有DC-DC。本发明首先会让快充协议芯片与充电设备沟通握手充电协议，充电协议沟通完后再通过MCU去检测快充协议芯片输出的反馈信号，然后MCU根据快充协议芯片的信号，将输出电压调整到充电设备所需要的特定电压，最后达到给充电设备快速充电的效果。
同时，本发明在保证不低于目前快充协议芯片+DC-DC方案的稳定性和兼容性的基础上，还有一定的成本优势。
附图说明
图1是本发明所实施MCU调压装置的系统框架图。
图2是本发明所实施MCU调压装置快充协议反馈检测控制流程图。
图3是本发明所实施MCU调压装置完成快充协议电压输出过程示意图。
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。
图1所示，为搭建本发明方法的硬件系统框架，图中所示，本发明所实现的调压装置包括单串锂电池组，Boost升压单元，LDO供电模块，MCU主控模块，放电输出模块，快充协议识别模块。本发明方法的主要硬件系统框图如下：
单串锂电池组1与Boost升压模块2相连，Boost升压模块2再与Boost升压模块3、4相连，组合成一个Boost同步整流升压电路，其中Boost升压模块3连接于PWM及接地端，Boost升压模块4连接于PWM及VBUS。Boost升压单元包括有Boost升压模块2、Boost升压模块3、4及PWM驱动5。
MCU主控模块7通过PWM输出管脚与PWM驱动5(图1中5是PWM驱动电路模块，属于Boost升压单元中的一部分)相连，PWM驱动5正常工作后输出一组互补PWM，PWM驱动5是PWM驱动电路模块，属于Boost升压模块中的一部分，通过这组互补PWM与Boost升压模块3、4相连，PWMH与Boost升压模块4相连，PWML与Boost升压模块3相连。这样MCU就可以通过PWM控制Boost升压模块升压输出。
因为MCU一般为低压工艺，而本发明的输出电压包含5V-12V。所以需通过LDO供电模块6与MCU主控模块7相连，为MCU工作提供一个稳定的工作电压。
Boost升压模块4与放电输出模块11相连，将MCU控制的同步整流升压的输出电压通过放电输出模块输出给充电设备。
Boost升压模块4同时还与快充协议识别模块10相连，为快充协议识别提供工作电压。快充协议识别模块10正常工作后将会通过D+、D-与放电输出模块11相连，将通过D+、D-与充电设备进行快充协议沟通。快充协议沟通完成后将通过FB反馈脚输出反馈信号。并与快充协议识别模块8、9相连，最后与MCU主控模块7相连。MCU将检测快充协议识别模块的反馈信号，再通过PWM控制Boost升压模块升压输出充电设备所需的充电电压。
最后MCU主控模块7与LED显示模块12相连，MCU将会通过LED显示目前充电的状态，让消费者能够清楚的掌握目前的充电情况。
本发明方法的软件系统框架主要包括以下步骤：
步骤1：搭建传统充电装置：MCU输出高速PWM通过半桥驱动芯片后，输出一对互补PWM，可直接驱动两个NMOS进行升压，输出电压Vout的大小可通过调整MCU输出的PWM的占空比η来进行调整。MCU再通过高精度ADC检测输出电压信号，通过ADC检测输出电压Vout的大小来调整PWM的占空比来达到恒压输出的效果。
输出电压计算公式：Vout＝Vin/η
通过上面计算公式，可以调整PWM占空比η输出一个需要的输出电压。因为目前USB输出会有一个默认的电压：5V，所以目前市面上的快充技术都是先输出5V再通过快充协议调整输出电压。因此本发明方法也需先输出5V。
步骤2：MCU检测到系统已将输出电压调整到5V，然后会将USB输出MOS管打开，这样被充电设备就开始进入充电模式。
步骤3：当充电设备进入充电模式时，系统的快充协议芯片也同时开始与充电设备进行协议沟通，协议沟通完成后，将会通过FB脚反馈出来。一般快充协议的FB反馈脚是通过内置电流源或下拉电阻来做的。系统默认电压输出时，快充协议芯片的内置电流源不工作或内置下拉电阻不下拉，相当于即没电流流入快充协议芯片也没有电流流出快充协议芯片。这样快充协议芯片的反馈就取决于外面接的上下拉电阻。一般这个电阻的分压值就是默认输出5V的分压值。如果协议沟通后，充电设备需要将输出电压调高，那么快充协议芯片就会启动下拉的电流源或启动下拉电阻将FB外接电阻的分压值降低，相反如果协议沟通后，被充电设备需要将输出电压调低，那么快充协议芯片就会启动上拉的电流源或断开部分下拉电阻将FB外接电阻的分压值升高。这样只要通过MCU的高精度ADC就可以检测到被充电设备需要的输出电压。
步骤4：MCU通过高精度ADC检测到充电设备所需的电压后，再通过调整PWM的占空比η，将输出电压调至充电设备所需的电压值，并通过快充指示灯来指示当前处于快充模式。这样就实现了给快充设备快速充电的效果。
步骤5：如果这时充电设备拔出，这时快充协议芯片检测到D+,D-没有信号后，将会关闭内置电流源或断开内置的下拉电阻。这样输出电压就会回到默认的5V电压，回到普通充电模式。并MCU将关闭快充状态指示灯。
因此，本发明所实现的调压装置及调压方法，升压是通过MCU直接控制MOS管进行同步整流升压的，并没有DC-DC。本发明首先会让快充协议芯片与充电设备沟通握手充电协议，充电协议沟通完后再通过MCU去检测快充协议芯片输出的反馈信号，然后MCU根据快充协议芯片的信号，将输出电压调整到充电设备所需要的特定电压，最后达到给充电设备快速充电的效果。
同时，本发明在保证不低于目前快充协议芯片+DC-DC方案的稳定性和兼容性的基础上，还有一定的成本优势。
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 (9)

1.一种基于快充协议MCU控制调压装置，其特征在于调压装置至少包括单串锂电池组、Boost升压单元、MCU主控模块、放电输出模块以及快充协议识别模块；所述快充协议识别模块连接于MCU主控模块；所述Boost升压单元包括有Boost升压模块和PWM驱动；单串锂电池组与Boost升压模块相连，Boost升压模块再与另外两个Boost升压模块相连，组合成一个Boost同步整流升压电路，MCU主控模块通过PWM输出管脚与PWM驱动相连，PWM驱动正常工作后输出一组互补PWM，通过这组互补PWM与Boost升压模块相连，这样MCU就可以通过PWM控制Boost升压模块升压输出，Boost升压模块后接有放电输出模块，从而进行电力输出，将MCU控制的同步整流升压的输出电压通过放电输出模块输出给充电设备。
2.如权利要求1所述的基于快充协议MCU控制调压装置，其特征在于该装置还包括有LDO供电模块，通过LDO供电模块与MCU主控模块相连，为MCU工作提供一个稳定的工作电压。
3.如权利要求1所述的基于快充协议MCU控制调压装置，其特征在于Boost升压模块包括并连在一起的两个Boost升压模块，PWMH与一个Boost升压模块相连，PWML与另一个Boost升压模块相连；其中一个Boost升压模块连接于PWM及接地端，另一个Boost升压模块连接于PWM及VBUS。
4.如权利要求3所述的基于快充协议MCU控制调压装置，其特征在于一个Boost升压模块同时还与快充协议识别模块相连，为快充协议识别提供工作电压。
5.如权利要求4所述的基于快充协议MCU控制调压装置，其特征在于快充协议识别模块正常工作后将会通过D+、D-与放电输出模块相连，将通过D+、D-与充电设备进行快充协议沟通，快充协议沟通完成后将通过FB反馈脚输出反馈信号，并与快充协议识别模块电阻R1、R2相连，最后与MCU主控模块相连，MCU将检测快充协议识别模块的反馈信号，再通过PWM控制Boost升压模块升压输出充电设备所需的充电电压。
6.如权利要求1所述的基于快充协议MCU控制调压装置，其特征在于所述MCU主控模块还与LED显示模块相连，MCU将会通过LED显示目前充电的状态。
7.一种基于快充协议MCU控制调压方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤1：搭建充电装置：MCU主控模块输出高速PWM通过半桥驱动芯片后，输出一对互补PWM，可直接驱动两个NMOS进行升压，输出电压Vout的大小可通过调整MCU输出的PWM的占空比η来进行调整；首先输出5V电压；
步骤2：MCU检测到系统已将输出电压调整到5V，然后会将USB输出MOS管打开，开始进入充电模式；
步骤3：当充电设备进入充电模式时，系统的快充协议芯片也同时开始与充电设备进行协议沟通，协议沟通完成后，通过FB脚反馈出来；通过MCU主控模块的高精度ADC就可以检测快充协议芯片的反馈信号；
步骤4：MCU通过高精度ADC检测到快充协议芯片的反馈信号后，再通过调整PWM的占空比η，将输出电压调至充电设备所需的电压值，并通过快充指示灯来指示当前处于快充模式；
步骤5：如果这时充电设备拔出，这时快充协议芯片检测到D+,D-没有信号后，将会关闭内置电流源或断开内置的下拉电阻，输出电压就会回到默认的5V电压，回到普通充电模式。
8.如权利要求7所述的基于快充协议MCU控制调压方法，其特征在于所述步骤1中，MCU主控模块通过高精度ADC检测输出电压信号，通过ADC检测输出电压Vout的大小来调整PWM的占空比来达到恒压输出的效果。
9.如权利要求7所述的基于快充协议MCU控制调压方法，其特征在于所述步骤3中，系统默认电压输出时，快充协议芯片的内置电流源不工作或内置下拉电阻不下拉，相当于即没电流流入快充协议芯片也没有电流流出快充协议芯片；如果协议沟通后，充电设备需要将输出电压调高，那么快充协议芯片就会启动下拉的电流源或启动下拉电阻R1或R2将FB外接电阻的分压值降低，相反如果协议沟通后，被充电设备需要将输出电压调低，那么快充协议芯片就会启动上拉的电流源或断开部分下拉电阻R1或R2将FB外接电阻的分压值升高。
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