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研究生:李文棟
研究生(外文):LEE, WU-DONG
論文名稱:基於 Arduino 實現 USB Type-C 雙向快速充電行動電源
論文名稱(外文):USB Type-C Bidirectional Fast Charge Power Bank Based on Arduino
指導教授:李永勳
指導教授(外文):LEE, YUANG-SHUNG
口試委員:李永勳林寬仁張偉能
口試委員(外文):LEE, YUANG-SHUNGLIN,KUAN-JENW. N. Chang
口試日期:2018-06-14
學位類別:碩士
校院名稱:輔仁大學
系所名稱:電機工程學系碩士在職專班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2018
畢業學年度:106
語文別:中文
論文頁數:68
中文關鍵詞:ArduinoUSB Type-C行動電源電源管理鋰離子電池
外文關鍵詞:ArduinoUSB Type-Cpower bankpower managementli-ion battery
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本論文提出一種雙向快速充電行動電源的Arduino設計,可以經由USB Type-C端口對行動裝置提供最高15 瓦的功率。硬體線路設計是採用Type-C偵測晶片與整合型升降壓電池管理晶片,透過微控制器Arduino Pro_Micro對鋰離子電池進行充電與放電功能的管理與控制。對於擁有USB Type-C端口的充電器、手機、平板等可攜式充電裝置的系統,可以達到15 瓦(5V3A)快速充放電的效果。軟體開發的部分是採用 Arduino IDE (Arduino Integrated Development Environment),其相關語法淺顯易懂,網路上有很多公開分享的資料可以應用。所以讓一般的使用者或開發者可以掌握自己的技術跟想法,不再局限於市售廠商制式的軟硬體規格,而進行客制化設計。
This paper proposes a method of USB Type-C bidirectional fast charge power bank based on Arduino design architecture, where the Type-C port provides max 15 W (5V3A) for mobile device. The hardware architecture will apply an Arduino Pro_Micro microcontroller. It controls type-C detection chip and buck-boost power management chip for charging 5V3A and discharging 5V3A of lithium-ion battery. It can be applied on many products with USB type-C interface, such as mobile phones, tablet and other smart devices. The application will have the fast charging effect for achieving rated power on 15W.The software is developed by using Arduino integrated development environment (IDE), on which the programming languages syntax is easily to understand and apply. Most source codes have been opened online and sharing of information for application. The user or developer can customize their own technology skills and ideas, and no longer to be limited to the standard rules from software manufacturer or hardware specifications.
摘要 i
英文摘要ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii

第一章 緒論 ......................... 1
1.1 研究背景與動機.................... 1
1.2 研究方法與步驟.................... 2
1.3 論文架構........................ 3
第二章 行動電源技術探討 ..................... 4
2.1 前言........................ 4
2.2 USB TYPE-C 規格簡介 .................. 4
2.3 鋰離子電池簡介.................... 8
2.4 快速充電技術簡介................... 11
2.5 ARDUINO 簡介................... 15
2.6 行動電源架構簡介.................. 16
2.7 本章結論...................... 18
第三章 TYPE-C 雙向快速充電行動電源架構 .............. 19
3.1 前言...................... 19
3.2 升壓晶片 MP3416 與應用線路 .............. 20
3.3 TYPE-C 控制晶片 FUSB303 與應用線路 ........... 22
3.4 鋰離子電池保護晶片 LC05111C16 與應用線路 .......... 25
3.5 電池充放電管理晶片 MP2636 與應用線路 .......... 27
3.6 微控制器 ARDUINO PRO MICRO 與應用線路 ......... 31
3.7 本章結論...................... 35
第四章 實作板開發與韌體規劃 ................... 36
4.1 前言...................... 36
4.2 佈線圖與印刷線路板.................. 38
4.3 韌體開發過程...................... 39
4.3.1 ARDUINO 界面 ...................... 39
4.3.2 ARDUINO 語法 ...................... 40
4.3.3 主程式架構流程圖規劃 .................. 42
4.4 實作板的系統運作.................. 43
4.5 本章結論...................... 44
第五章 實驗結果與分析 ................... 45
5.1 前言...................... 45
5.2 TYPE-C 溝通偵測的信號變化 ................. 49
5.3 輸入充電與輸出放電的特性.............. 53
5.4 輸出雜訊(PARD)與切換頻率 ................. 58
5.5 系統保護機制實測.................. 60
5.5.1 過充電壓保護 ..................... 60
5.5.2 過放電流保護 ..................... 60
5.5.3 輸出端短路保護 .................... 61
5.6 實作板對行動裝置的充電與放電數據.............. 62
5.7 本章結論...................... 65
第六章 結論與未來展望 ................... 66
6.1 結論...................... 66
6.2 未來展望...................... 66
參考文獻 ......................... 67

表目錄
表 2.2.1 USB TYPE-C接腳名稱與描述 5
表 3.2.1 MP3416接腳定義說明 20
表 3.3.1 FUSB303 接腳定義說明 24
表 3.4.1 鋰離子電池保護晶片LC05111C16的電氣特性 25
表 3.4.2 LC05111C16接腳定義說明 26
表 3.5.1 MP2636接腳定義說明 28
表 3.6.1 ARDUINO PRO MICRO 規格表 31
表 3.6.2 微控制器訊號定義與功能敘述 34
表 4.1.1 TYPE-C雙向快速充電行動電源電氣規格 37
表 4.3.1 ARDUINO常用語法 41
表 5.2.1 TYPE-C模式判定表 49
表 5.2.2 尚未連接裝置時的狀態 50
表 5.2.3 需要放電給裝置時的狀態 51
表 5.2.4 需要充電端提供1.5 A電流時的狀態 51
表 5.3.1 輸入功率與電池端電壓的輸入轉換效率數據 54
表 5.3.2 輸出功率與電池端電壓的輸出轉換效率數據 56
表 5.6.1 各種充電器裝置對實作板的充電數據 62
表 5.6.2 實作板對各種裝置的放電數據 63

圖目錄
圖 1.2.1 研究流程圖 2
圖 2.2.1 各種不同標準的USB端口整合為USB TYPE-C 4
圖 2.2.2 USB TYPE-C接腳順序與信號名稱 5
圖 2.3.1 鋰離子電池的充電模式與過程 8
圖 2.3.2 鋰離子電池PGF655894實照 9
圖 2.3.3 鋰離子電池PGF655894充電曲線 9
圖 2.3.4 鋰離子電池PGF655894放電曲線 10
圖 2.4.1 快速充電技術分類 11
圖 2.4.2 高通QUICK CHARGE演變 12
圖 2.4.3 VOOC快速充電的設計圖 13
圖 2.4.4 USB PD 3.0供電器動態微調電壓圖 14
圖 2.6.1 市售行動電源架構 16
圖 2.6.2 市售行動電源實體照解析 17
圖 3.1.1 TYPE-C雙向快速充電行動電源架構 19
圖 3.2.1 升壓晶片MP3416應用線路圖 20
圖 3.2.2 系統電源線路 21
圖 3.3.1 FUSB303 內部信號方塊圖 22
圖 3.3.2 TYPE-C雙向溝通控制線路 23
圖 3.4.1 鋰離子電池保護晶片LC05111C16應用線路圖 25
圖 3.4.2 鋰離子電池保護線路 26
圖 3.5.1 MP2636應用線路圖 27
圖 3.5.2 電池充放電管理線路 29
圖 3.5.3 MP2636內部的升降壓線路(A)輸入降壓充電(B)電池升壓放電 30
圖 3.6.1 ARDUINO PRO MICRO應用線路圖 32
圖 3.6.2 ARDUINO PRO MICRO 接腳圖 33
圖 3.6.3 微控制器線路 34
圖 4.1.1 TYPE-C雙向快速充電行動電源開發板實作圖 36
圖 4.2.1 TYPE-C雙向快速充電行動電源開發板 (A) 正面佈線圖(B) 背面佈線圖 38
圖 4.2.2 TYPE-C雙向快速充電行動電源開發板(A)零件文字圖(B) 印刷線路板 38
圖 4.3.1 ARDUINO IDE 介面 39
圖 4.3.2 雙向快速充電行動電源程式流程圖 42
圖 4.4.1 TYPE-C雙向快速充電行動電源實作板的運作圖 43
圖 5.1.1 TYPE-C雙向快速充電行動電源搭配各種儀器測試 45
圖 5.1.2 PSM 3004電源供應器 46
圖 5.1.3 KEITHLEY 2306 電池模擬電源供應器 46
圖 5.1.4 34411A 六位半數位萬用電錶 47
圖 5.1.5 3315C電子負載 47
圖 5.1.6 TYPE-C電壓電流量測儀 48
圖 5.1.7 RTM1054數字示波器與RT-ZP10被動式單端探棒 48
圖 5.2.1 TYPE-C雙向快速充電行動電源LED指示燈與信號的關係 49
圖 5.2.2 尚未連接裝置時的LED指示燈狀態 50
圖 5.2.3 需要放電給裝置時LED指示燈的狀態 51
圖 5.2.4 需要充電端提供1.5 A電流時LED指示燈的狀態 51
圖 5.2.5 溝通偵測波形(A)尚未建立(B)偵測到需要放電給裝置時(C)偵測到充提供1.5 A電流 52
圖 5.3.1 輸入功率對電池電壓的輸入充電轉換效率 55
圖 5.3.2 負載功率對電池電壓的輸出放電轉換效率 57
圖 5.3.3 充電功率對於充電時間的影響 57
圖 5.3.4 放電功率對於電池容量的影響 58
圖 5.4.1 交換式電源供應器的輸出雜訊波形 58
圖 5.4.2 輸出雜訊的波形 59
圖 5.4.3 MOSFET切換頻率波形 59
圖 5.5.1 過充電壓保護的波形變化 60
圖 5.5.2 過放電流保護的波形變化 61
圖 5.5.3 輸出端短路保護的波形變化 61
圖 5.6.1 NEXUS 6P充電器對實作板充電 62
圖5.6.2 IPHONE 1A充電器對實作板充電 63
圖5.6.3 實作板對IPHONE X手機充電 64
圖5.6.4 實作板對RAZER 行動電源充電 64
參考文獻
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[3] PADS official website, https://www.pads.com/, 2017.
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