臺灣博碩士論文加值系統

通用串列匯流排(Universal Serial Bus, USB)之技術已經成為電子產品最主要的資料傳輸技術，如果它能成為手持裝置主要的充電方式，那麼將可取代數億個充電器。標準USB埠輸出電流限制為500 mA，但現今手持裝置電池容量已超過10000 mAh，若使用標準USB埠來充電，充電時間會非常久，USB應用者論壇（簡稱USB-IF）針對這一趨勢做出了因應，制訂出一套USB電池充電規範。本論文提出在USB埠的充電規範下，將其充電功能整合於主機板，探討個人電腦USB埠對手持裝置充電速度的改善。主要架構包括雙電源切換電路，USB充電電流控制電路與偏壓充電電路。經實際測試，最快可比標準USB埠約增加3倍充電速度。

The Universal Serial Bus (USB) has become the most important information transmission technology. If it can become the main way of charging for handheld devices, it will replace the hundreds of millions of chargers. The output current of standard USB port is limited to 500 mA, but the capacity of handheld device battery has more than 10000 mAh now, when charging the handheld device battery through the standard USB port, it will take a long time. According to the fact, the USB Implementers Forum sets up a new USB charging specification. This thesis brought out a method of battery charging control into mother board to improve charging performance of PC USB ports. The main architecture includes dual power switching circuit, USB charging control circuit and charging circuit by bias voltage. Experimental results show that the fastest charging rate is up to three times than standard USB port.

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英文摘要 ii
謝　誌 iii
目　錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 論文架構 4
第二章 文獻探討 5
2.1 USB介面介紹 5
2.2 電腦主機板電源管理研究 10
2.3 USB充電規範探討 17
2.4 問題分析與系統需求 22
第三章 系統描述 25
3.1 雙電源切換電路 26
3.2 USB充電控制與保護電路 28
3.3 偏壓充電電路 29
第四章 實驗平台設計 34
4.1 USB充電實例設計架構圖 34
4.2 主要電路區塊設計與說明 37
第五章 實驗結果與討論 47
5.1 USB訊號品質量測 47
5.2 充電電流結果比較 50
第六章 結論與未來研究方向 56
6.1 結論 56
6.2 未來研究方向 57
參考文獻 58

圖目錄
圖2-1 主機與USB裝置通信架構 ...................................................................... 5
圖2-2 USB 2.0介面插頭與連接線 ..................................................................... 8
圖2-3 USB 3.0介面插頭與插座 ......................................................................... 9
圖2-4 傳統電腦充電架構 .................................................................................. 10
圖2-5 系統待機狀態耗電圖 .............................................................................. 12
圖2-6 標準ATX電源供應器圖 ........................................................................ 13
圖2-7 交換式電源供應器架構方塊圖 .............................................................. 14
圖2-8 標準ATX 電源供應器連接器 ............................................................... 15
圖2-9 主機板電源轉換架構 .............................................................................. 15
圖2-10 5V電源切換架構 .................................................................................. 16
圖2-11 手持裝置充電標準埠 ............................................................................ 18
圖2-12 手持裝置充電下行埠 ............................................................................ 19
圖2-13 手持裝置專用充電埠 ............................................................................ 20
圖2-14 A公司平板充電器示意圖 .................................................................... 22
圖2-15 S公司平板充電器示意圖 ..................................................................... 23
圖3-1 USB埠充電系統功能方塊圖 ................................................................. 25
圖3-2 雙電源切換方塊圖 .................................................................................. 26
圖3-3 USB充電控制方塊圖 ............................................................................. 28
圖3-4 偏壓充電方塊圖 ...................................................................................... 29
圖3-5 低壓側電流檢測 ...................................................................................... 31
圖3-6 高壓側電流檢測 ...................................................................................... 32
圖4-1 USB充電實例設計架構圖 ..................................................................... 34
圖4-2 MODE=低電位 時序圖 .......................................................................... 35
圖4-3 MODE=高電位 時序圖 .......................................................................... 36
圖4-4 USB 5VDUAL切換實例電路 ................................................................ 37
圖4-5 USB充電電流控制實例電路 ................................................................. 39
圖4-6 S3與S5狀態下電流測詴設備圖 ........................................................... 40
圖4-7 系統S3狀態下5VSB的電流圖 ............................................................ 41
圖4-8 系統S5狀態下5VSB的電流圖 ............................................................ 42
圖4-9 充電保護實例電路 .................................................................................. 43
圖4-10 偏壓充電實例電路 ................................................................................ 45
圖4-11 USB訊號的PCB設計 .......................................................................... 46
圖5-1 USB訊號量測設備圖 ............................................................................. 48
圖5-2 未經過USB充電晶片的USB眼圖....................................................... 49
圖5-3 經過USB充電晶片的USB眼圖........................................................... 49
圖5-4 USB埠充電環境設定圖 ......................................................................... 50
圖5-5 專用充電器充電環境設定圖 .................................................................. 51
圖5-6 手持裝置A充電比較圖 ......................................................................... 52
圖5-7 手持裝置B充電比較圖.......................................................................... 53
圖5-8 手持裝置C充電比較圖.......................................................................... 54
圖5-9 手持裝置D充電比較圖 ......................................................................... 55
表目錄
表1-1 預估2016年行動裝置之出貨量情況 ...................................................... 2
表1-2 常見智慧型手機/平板的電池容量 ........................................................... 3
表2-1 USB版本差異表 ....................................................................................... 6
表2-2 USB 2.0連結器接腳 ................................................................................. 7
表2-3 USB 3.0連結器接腳 ................................................................................. 7
表2-4 系統待機電源狀態表 .............................................................................. 12
表3-1 系統待機狀態控制訊號 .......................................................................... 28
表4-1 GS7611真值表 ........................................................................................ 35
表4-2 ATX 300W電源供應器電源表 .............................................................. 40
表4-3 系統開機5V電流預算表 ....................................................................... 42
表4-4 充電模式控制表. ..................................................................................... 43
表5-1 手持裝置A充電比較 ............................................................................. 52
表5-2 手持裝置B充電比較.............................................................................. 53
表5-3 手持裝置C充電比較.............................................................................. 54
表5-4 手持裝置D充電比較 ............................................................................. 55

[1]手機充電器接頭規格，中華民國消費者文教基金會，2013年7月1日擷取: http://bbs.moninet.com.tw/board/view.cgi?forum=126&;topic=1035
[2]2016年全球行動裝置市場，科技產業資訊室，2013年7月1日擷取: http://cdnet.stpi.narl.org.tw/techroom/market/eetelecomm_mobile/2013/eetelecomm_mobile_13_016.htm
[3]Universal Serial Bus Specification Rev 2.0, USB Implementers Forum Inc., April 27, 2000.
[4]Universal Serial Bus Specification Rev 3.0, USB Implementers Forum Inc., July 30, 2008.
[5]Advanced Configuration and Power Interface Specification, Intel, HP, Intel, Microsoft, Phoenix and Toshiba, Dec. 20, 2010.
[6]許黃德，個人電腦瞬間開機的機制設計與改良，碩士論文，輔仁大學電子工程學系，2007年。
[7]梁適安，交換式電源供給器之理論與實務設計，全華圖書有限公司，1994年。
[8]ATX Specification Version 2.2, Intel Corporation, March 2005.
[9]Sugar Bay Platform Power Delivery Design Guide, Rev 1.0, Intel Corporation, March 2010.
[10]Battery Charging Specification, Rev1.1, USB Implementers Forum Inc., April 15, 2009.
[11]Battery Charging Specification, Rev1.2, USB Implementers Forum Inc., Dec. 2010.
[12]魏明，USB電池充電規範之測試方法的研究，碩士論文，北京郵電大學電子工程學院，北京，2009。
[13]Cougar Point Platform Controller Hub EDS, Rev 1.0, Intel Corporation, March 2010.
[14]羅雅靜、郭建中，電壓高端的密電流檢測研究，陝西師範大學物理學與資訊技術學院，陝西，2008。
[15]GS7611 5V Dual Power Switch Controller Datasheet, Niko-Sem, 2012.
[16]USB Charging Port Controller &; Power Switch With Load Detection Datasheet, Texas Instruments, 2011.
[17]Digital Phosphor Oscilloscopes TDS 5034 Specification, Tektronix Inc., 2000.
[18]邱穎川，陳建國，鄒應嶼，“多功能電池充電控制實驗系統之研製”，中華民國第二十屆電力工程研討會，1999。
[19]D. Korn, R. Huang, D. Beavers, T. Bolioli and M. Walker, “Power Management of Computers,” IEEE International Symposium on Electronics and the Environment, Publisher, Location, pp. 128-131, May 2004.