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基于USB PD协议的快充控制系统设计与验证

方侃飞  
【摘要】:随着智能设备的快速发展,设备功能的多样化也得到显著提升,但伴随而来的手机耗电量和续航不足等情况已然成为领域发展的热点问题。如何在短时间内提高充电效率,同时又能延长手机电池的寿命,是解决智能设备电量补给不佳的关键所在。缩短充电时间就需要增加充电功率,USB_IF协会推出的USB PD协议可满足此要求,而且最大功率达到100W,可以满足大部分智能设备的要求。因此,对USB PD的研究颇有意义。本文阐述了USB PD协议的系统框架,通过原子消息序列以及数据包格式的传输形式设计了一款基于USB PD协议的快速充电系统。论文的主要工作内容如下:1、介绍了Type-C接口的概念以及与PD协议的通信过程,分析了本系统的层次结构,包括物理层、协议层、策略引擎层、设备管理层。2、详细阐述了USB PD协议体系结构、基于原始消息序列的通信机制原理。采用硬件描述语言设计了一款USB PD协议的快充控制系统,系统内部分为物理层、协议层、策略引擎层、设备管理层。系统物理层分为数据接收模块和数据发送模块:数据发送模块需要对数据进行4b/5b编码、BMC编码以及CRC编码计算;数据接收模块需要对数据进行CRC解码校验、BMC解码、4b/5b解码。为了增强电路的鲁棒性,BMC解码采用FIR滤波算法、滑动平均滤波算法、实时校正电路。系统协议层采用三段式状态机实现消息构建、消息发送、消息接收及GoodCRC消息回复功能;系统策略引擎层采用有限状态机来完成基于原始消息序列的通信控制功能;设备管理层包括了电源能力的配置、电能协商、电源供电和电源硬复位。3、搭建仿真环境,从模块级到系统级进行仿真,仿真结果表明:本系统能够进行快速充电,充电功率最大能够达到100W。此外,能够进行Fix模式的电能等级切换、PPS模式电能等级切换以及Fix模式与PPS模式之间的电能等级切换。4、通过FPGA搭建测试环境,且测试结果表明:放电功率在0-33W动态输出,达到了预期的快充目标。在电路转化与实现中采用Synopsys公司的综合工具DC进行时序约束,并且将RTL代码转化成门级网表,采用DFT技术在门级网表中插入扫描寄存器,为了增加扫描覆盖率采用TestPoint技术,使得扫描覆盖率达到96.49%。最后还完成了电路的静态时序分析,所有时序路径都没有建立时间和保持时间的违规。


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