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快充双协议识别方案设计

时间：22-11-30 网友

快充双协议识别方案设计

汪鑫;罗雪姣;沈琪

【摘要】随着智能手机的普及,手机的续航成为了人们最为关注的问题.目前普遍使用的锂电池容量有限,在没有新材质电池诞生的情况下,快充成为一种新的解决方法.市场上主流的快充都只能支持单一快充协议,本设计在此基础上,设计一种支持多个快充协议的设计方案,能够兼容多种手机快充,智能选择对应的充电模式,实现对手机电池的快速充电.结果显示,该设计可以根据不同的快充协议可选择5V-2A、9V-2A、12V-1.5A三档,最后实现QC、MTK快充双协议的兼容.

【期刊名称】《电子设计工程》

【年(卷),期】2019(027)012

【总页数】5页(P39-42,46)

【关键词】快充;QC协议;MTK协议;协议识别

【作者】汪鑫;罗雪姣;沈琪

【作者单位】武汉晴川学院电子信息与机电工程学院,湖北武汉 430204;武汉晴川学院电子信息与机电工程学院,湖北武汉 430204;武汉晴川学院电子信息与机电工程学院,湖北武汉 430204

【正文语种】中文

【中图分类】TN710.9

随着社会的快速而高效地发展，手机在人们的生活中扮演着日趋显要的角色。当下移动设备的使用的领域在不断变得广阔，而由于移动设备中软件与硬件的结合使用导致其在使用过程中的耗电总量却越来越大，可以持续使用时间也达不到用户的期望。需要频繁充电的问题制约着于人们的日常使用和正常工作，对个人的生活使用需求造成不好的影响。一开始手机电池容量都不大，USB接口默认的5 V、0.5 A就可以满足充电的需要，但是当智能机出现之后，由于对性能的大幅度渴求导致功耗上升，0.5 A已经满足不了需要了；于是定义了一个增强的USB充电识别标准：BC 1.2[1]。它将充电电流最大扩展到5 V 1.5 A。但是到了2013年左右，出现了3 000 mA时以上的智能手机，这个时候5 V 1.5 A也不能满足需求了，于是再次扩展到5 V 2 A[2]。但由于目前普遍使用的锂电池容量有限，即使手机具备快充技术，其续航能力也非常有限。在没有新材质电池诞生的情况下，快充成为一种新的解决方法[3]。

由于市场上具有快充功能的手机有很多，并且各大厂商为了保护自己产品利益，使用的是不同的快充协议，这就导致用户在选择快充适配器时，只能选择支持该协议的适配电源，如果有多个不同型号的手机，还必须配上好几个不同的适配器。基于这一市场现象，本文设计一种识别电路，使其能通过快充协议的识别，兼容多个快充协议。实验结果表明，该设计对目前主流的快充手机，能够进行自动的快充协议识别，缩短充电时间。

1 快充电路工作原理

电池充电的基本条件是，充电器电压要比电池电压高[4]。才能克服电池的电压使它产生充电电流，完成电荷转移过程。在电池电量一定的情况下，充电的功率标志着充电速度[5]。要提高充电的功率，一般有以下3种模式[6]。

1）高压恒流模式：一般来说，手机的充电过程是将220 V电压降低到5 V充电器电压，将5 V充电器电压降低到4.2 V电池电压。整个充电过程，如果电流保持不变，增大电压，充电的功率会随之增大。电压增大的过程中，将会产生热量，所以当充电时，充电器会发热。耗电量越大，对电池的损害就越大。

2）低压大电流模式：在电压一定的情况下，如果要增大功率，则需要增加电流。在充电的材质固定的情况下，可以使用并联电路的方式进行分流，恒定电压下，进行并联分流之后每个电路所分担的压力越小。

3）高压大电流模式：这种方式同时增大电流与电压，是增大功率最好的办法，但增大电压的同时会产生更多的热能，这样其中所消耗的能量也是越多。并且电压与电流增加的越大，对充电器相关的材质要求更高。

综上所述，目前提升充电功率的3个方法，提升电压，或者增加电流，或者电压、电流均提高[7]。要实现高效的充电效果，可以根据适配器的相关情况择优选择。

依照我国首部快充标准，其中涵盖了市场上主要的几大快充协议，其中包括Quick Charge快充协议（高通公司）、MTK协议、SuperCharge快充协议（华为公司，免费授权））、USB PD快充协议（免费授权）、和VOOC闪充协议（OPPO公司）这5种。这里有3种协议可以提供公平无歧视的基础上予以授权，供其他设备商使用，剩余的两款协议则为免费授权。目前，应有最为广泛的是QC2.0以及MTK的快充协议。

1.1 Quick Change快充技术

自QC2.0协议于2013年诞生起，至今高通公司研发的Quick Charge快充技术发展已经达到了相当成熟的水平。它是现在市场上使用最为广泛的一种快速充电技术，能够同时加大电流与电压，从而提高充电速度[8]。为了防止提高电压对电池造成的损伤，Quick Charge协议通过高通公司特别制做用于管控电源的专门芯片，以提升充电的输出电压而加快充电速度，也可以依照电压的大小智能地改变充电的功率，还能在减少发热量的同时加快手机在快充模式下的充电速度。进而确保手机的正常运行，防止因发热过高发生的安全隐患。QC2.0加入了匹配芯片，当存在符合QC2.0快充协议的充电电路经过USB数据线进行连接后，根据输出端口USB接口的D+和D-两条线路上加载的电压值大小进行判定，选择性地与手机进行交互握手识别识别[9]。当握手协议成功匹配时进而调节QC2.0的输出电压，控制输出的充电模式。

表1 输出电压对应表3.3 0.6 0.6 GND 20 12 9 5(Default)3.3 0.6 3.3 0.6

如表1所示，在与充电电路顺利连接后QC2.0识别芯片会默认经过MOS电路使D+与D-这两个端口短接，而手机端会探测到充电电路类型为专用充电端口模式（普通充电模式）。这个时候充电电压为5 V，手机将在普通模式下充电。若被充电的手机支持QC2.0快速充电协议，则手机端安卓用户空间里名为“hvdcp”进程将依照协议的设定而启动，开始在D+端口上加载约0.3 V的电压。若在1.25 s的时间内该端口持续维持0.325 V的电压，则充电电路会解除对D+和D-两线的短接状态，故D-端口上的电压会因为电路状态的变化下降至较低电压值；经过手机端探测到D-端口上的电压发下降后，“hvdcp”的进程会读取安卓用户空间内部名为“voltage_max”路径所检测的数值如果检测数值结果为9 000 000 mV，则芯片会调整D+、D—两线的电压状态，分别调整至3.3 V和0.6 V，该电压模式将使充电电路的电压输出为9 V，开启快充QC2.0模式。如果检测数值结果为5 000 000 mV，则将会芯片会设置D+端口电压为0.6 V，D-端口电压为0 V，使充电电路维持输出为5 V电压，保持普通充电模式[10]。

1.2 MTK快充原理

MTK的快充技术即为联发科pump express快充技术，根据Pump Express技术的设定，在充电输出电压在不小于15 W的输出功率的限制下，特地将充电电压加到了12 V～9 V～7 V这样3种不同的电压档次，同时也支持其他类型大至12 V、小至3.6 V的充电输出电压，确保了广泛的适用性[11]。

Pump Express技术依照电流的变化状况进行判定来控制输出充电电压的实时数值，再由对应的充电器接收来自USB中Vbus端口发送的脉冲电信号（接受电源管控芯片管控），充电器再按照该信号调整电压的输出大小，使电压逐步递增至12 V（即可支持的充电电压的最大值）[12]。因而市场上任意普通且质量合格的USB线都可以为Pump Express快充技术提供使用上的支持。

综上所述，可以明显发现，在快充技术的发展思路上联发科和高通基本一致。基于理论上互通的基础，两者都是旨在以提高充电输出电压的大小进而加快给手机充电的速度。

2 快充协议识别

根据以上快充技术的充电原理，最关键的是识别手机是否支持快充，然后根据握手协议来选择合适的电压和电流来进行充电，防止充坏手机。

图1为USB接口参考电路图，当存在符合QC2.0快充协议的充电电路经过USB数据线进行连接后，根据输出端口USB接口的D+和D-两条线路上加载的电压值大小进行判定，选择性地与手机进行交互握手识别[13]。当存在符合Pump Express快充协议的充电电路经过USB数据线进行连接后，根据输出端口USB接口的GND和VBUS两条线路上加载的电流值大小进行判定，选择性地与手机进行交互握手识别识别。

图1 USB接口参考图

2.1 单片机及其外围电路的设计

在该方案设计中，对单片机的要求不高，故选择常用的80C52作为主控芯片。该芯片应用广泛，稳定度高，电路设计简单[14]。其最小系统及外围电路如图2所示，是整个协议识别方案的核心部分。

图2 主控电路图

主控电路图由ATC89C51单片机的电源接口、控制开关、复位电路、时钟电路、下载接口电路组成。

2.2 快充检测电路

根据快充技术原理，不论是采用哪一种快充模式，首先需检测该设备是否支持快充，再选择性地与手机进行交互握手识别。当存在符合QC2.0快充协议的充电电路经过USB数据线进行连接后，适配器可以根据输出端口USB接口的D+和D-两条线路上加载的电压值大小来进行判定；当存在符合Pump Express快充协议的充电电路经过USB数据线进行连接后，适配器可以根据输出端口USB接口的GND和VBUS两条线路上加载的电流值大小来进行判定。在电路设计过程中，电流的检测可以转换为电压的检测[15]。因此可以设计一个电压检测电路，分别检测设备是否支持这两种快充协议。图3为快充协议的电路检测图。

图3 快充检测电路

在该电路中，采用的卓芯微公司的ZXW605芯片。引脚1和6可以检测USB接口的D+和D-两条线路上的电压值大小，通过反馈的结果能够判断是否支持QC2.0快充协议，引脚2和引脚5可以检测USB接口的GND和VBUS两条线路上加载的电流值大小，通过反馈的结果能够判断是否支持MTK快充协议。

2.3 电池保护电路

在充电过程中，安全也是必须考虑的一个重要问题[16]。在本设计方案中，以DW01结合MOS管8205S，设计了电池保护电路，其电路图如图4所示。DW01时一款专门为避免锂电池因过充、电流过大导致电池损坏而设计的芯片。

图4 电池保护电路

电路进入充电状态时，可以通过VDD检测电池电压，当VDD＞VOC并且持续一段时间后，DW01判断电路处于过充电电压状态，将断开第3脚的输出电压，使第3脚电压变为0 V，8205S内的开关管因第4脚无电压而关闭。

3 软件设计

软件设计部分包括主程序和电路中断保护程序。主程序根据识别结果来作出输出反馈[17]，在此次设计中，主要是判别手机是否支持快充，以及快充类型，然后调整对应的充电电压或者电流大小。其主程序流程图如图5所示。

充电时，单片机依次判断设备是否支持QC快充、MTK快充，根据对应的识别结果进入相应的快充模式，如果都不支持，则进入5 V的普通充电模式。

电路中断保护程序的作用是判断充电时间及电池温度，确保不会过充或者电流过大导致电池损坏。电路中断保护程序的流程如图6所示。

图5 主程序设计流程

图6 中断保护程序设计流程

4 结论

本文设计了一种基于单片机的快充双协议识别电路。设计中采用电压检测电路和电流检测电路，能够分别检测出QC2.0快充协议和MTK快充协议，同时以HT45FH4N单片机作为核心核心控制器件，能够自动根据快充类型进入不同的快充模式。本设计经试验测试运行良好，成本低，能有效兼容两种常见的快充协议，提高充电效率，具有极好的市场应用价值。

【相关文献】

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