臺灣博碩士論文加值系統

本論文使用USB Type-C連接器和USB Power Delivery (USB-PD) 協議設計一款透過USB (Universal Serial Bus) 電纜線進行供電和受電雙向快速充電系統，其中包含電腦連線作為充電過程監控充電電壓、充電電流和電池溫度偵測，其充電系統透過RS232與電腦監控介面連線、以LabVIEW設計充電監控介面，可以向充電系統讀取充電狀態，如為供電端或是為受電端，並負責電壓、電流、溫升數據資料收集，並進行保護，避免發生過電壓、過電流和過溫度的狀況，而導致電池損壞。且為了突破傳統 USB 充電的充電限制，提高充電電壓，減少充電電流和提高充電功率。藉由高壓充電模式改善USB電纜、連接器的壓降和發熱問題，並提高手機內部充電效率和加快充電速度.

This thesis uses USB Type-C connector and USB Power Delivery (USB-PD) protocol to design an bi-directional fast charging system for power supply and power receiving via USB (Universal Serial Bus) cable, including computer connection as charging process monitoring and charging. Voltage, charging current and battery temperature detection, the charging system is connected to the computer monitoring interface through RS232, and the charging monitoring interface is designed by LabVIEW. It can read the charging status to the charging system and be responsible for voltage, current and temperature rise data collection. And protect against over-voltage, over-current and over-temperature conditions, resulting in battery damage. In order to break the charging limit of traditional USB charging, increase the charging voltage, reduce the charging current and increase the charging power. Improve the voltage drop and heat generation of the USB cable and connector by high-voltage charging mode, and improve the internal charging efficiency of the mobile phone and speed up the charging.

中文摘要 ………………………………………………………………………… ii
英文摘要 ……………………………………………………………………… iii
誌謝 ……………………………………………………………………………… iv
目錄 ……………………………………………………………………………… v
表目錄 …………………………………………………………………………… vii
圖目錄 ………………………………………………………………………… viii
第一章 緒論 ……………………………………………………………………… 1
1-1 前言………………………………………………………………… 1
1-2 研究目的 …………………………………………………………… 1
1-3 研究成果與貢獻 ………………………………………………… 2
1-4 論文概要 …………………………………………………………… 3
第二章 USB Type-C應用和快充協議技術發展 ……………………………… 4
2-1 USB Type-C的介紹 ………………………………………………… 4
2-1-1 USB Type-C四大特點 …………………………………… 6
2-1-2 USB Type-C連接器腳位名稱及功能 …………… 7
2-2 USB Type-C 的應用 ……………………………………………… 7
2-2-1 USB Type-C電源選項 ……………………………… 7
2-2-2 USB Type-C CC雙向角色介紹 ……………………… 8
2-2-3 USB數據線接口和USB Type-C插頭功能 ……………… 9
2-2-4 USB Type-C端口檢測 ………………………………… 10
2-2-5電源供應端和受電端電路模型 ……………………… 10
2-3 快充協議技術發展 ……………………………………………… 13
2-3-1 USB BC1.2充電協議 …………………………………… 14
2-3-2 快速充電方案 ………………………………………… 16
2-3-3 USB Power Delivery協議介紹 ……………………… 17
第三章 硬體電路設計 ………………………………………………………… 19
3-1 快速充電之電路架構 …………………………………………… 19
3-2 系統功能介紹 …………………………………………………… 21
3-2-1 USB Type-C 雙角色電源識別 ………………………… 21
3-2-2 快速充電模式 ………………………………………… 22
3-2-3 監控電壓、電流和溫度 ………………………………… 22
3-3 USB Type-C和充電協議控制器 ………………………………… 23
3-4 電源管理控制器 ……………………………………………… 26
3-4-1 充電模式 ……………………………………………… 27
3-4-2 放電模式 ……………………………………………… 28
3-5 實際硬體電路 …………………………………………………… 30
第四章 控制軟體設計 ……………………………………………………… 37
4-1 LabVIEW軟體介紹 ……………………………………………… 37
4-2 LabVIEW人機介面 ………………………………………………… 38
4-3 I2C暫存器讀寫格式 ……………………………………………… 39
4-4 USB Type-C雙腳色配置 ………………………………………… 40
4-5 USB-PD充電協議的傳輸結構 ………………………………… 42
4-6 充電電壓、電流和溫度監控設置 …………………………… 46
4-6-1 VBUS和VBAT電壓監控設置 ……………………………………… 46
4-6-2 IBUS和 IBAT電流監控設置 ……………………………… 48
4-6-3 電池溫度量測設置 ……………………………………… 50
第五章 系統實現與量測 ……………………………………………………… 52
5-1 實際硬體電路實現 ……………………………………………… 52
5-2 軟體操作介面介紹 ……………………………………………… 55
5-3充電電壓與電流量測 …………………………………………… 56
5-4 USB Type-C角色建立量測 ……………………………………… 57
5-5 USB-PD協議解析和相容性測試 ……………………………… 58
第六章 結論與未來展望 ……………………………………………………… 64
參考文獻 ……………………………………………………………………… 65

[1] USB Type-C Specification Release 1.3 Version. usb.org. USB-IF
[2] 手機數據線Type-c接口與Micro-USB接口，究竟哪種更好用? 網站，https://kknews.cc/digital/6lev9ml.html
[3] 最快 20Gbps 傳輸速率，USB 最新傳輸規格出爐！網站，https://3c.ltn.com.tw/news/36019
[4] USB Battery Charging Specification Revision 1.2. usb.org. USB-IF
[5] USB Power Delivery Specification 2.0 Version. usb.org. USB-IF
[6] TUSB422 技術文件，http://www.ti.com/product/TUSB422
[7] NT6008 Smart USB Charging Port Controller Datasheet, EOSMEM Corporation
[8] Design your next USB Type-C/USB PD device with buck-boost battery chargers, https://www.electronicproducts.com/Analog_Mixed_Signal_ICs/Power_Ma nagement/Design_your_next_USB_Type_C_USB_PD_device_with_buck_b oost_battery_chargers.aspx
[9] 全面認識開關型電源中的BUCK-BOOST功率級 http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/zhca041/zhca041.pdf
[10] SC8913 技術文件，南芯半導體 http://www.southchip.com/
[11] FP6606 技術文件，天鈺科技 http://www.fitipower.com/
[12] STM32F072 技術文件 http://www.ST.com/
[13] LabVIEW軟體操作文件，https://www.ni.com/zh-tw/shop/labview.html
[14] NTCLE100E3_NTC Thermistors技術文件，https://www.vishay.com/
[15] USB Type-C介面解決方案，file:///C:/Documents%20and%20Settings/tim.wang/My%20Documents/Downloads/AN056_TW.pdf