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基于USB PD协议快充控制器的研究与设计

基于USB PD协议快充控制器的研究与设计

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作者：张意西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着智能手机、平板电脑等移动设备的快速普及,以及移动网络的高速发展,人们对电子设备的需求和依赖程度越来越高。愈加强大的功能以及不断增大的屏幕使得电子设备的耗电量也越来越高,续航问题成为了智能电子设备一个明显的短板,给人们... 详细信息

随着智能手机、平板电脑等移动设备的快速普及,以及移动网络的高速发展,人们对电子设备的需求和依赖程度越来越高。愈加强大的功能以及不断增大的屏幕使得电子设备的耗电量也越来越高,续航问题成为了智能电子设备一个明显的短板,给人们的使用带来了极大的不便。然而与发展快速的电子技术相比,电池的发展速度可谓相当缓慢,目前所采用的仍为锂离子电池技术。各家电子设备厂商也在不断针对续航时间短的问题推出各种解决方案,在不能对电池电量存储有一个革命式的改进方案之前,提高电池的充电效率、缩短充电时间无疑为最有效的解决方案。本文根据实习公司的xad9002快充项目,完成了USB PD快速充电器中USB PD控制器的研究与设计。USB PD(USB Power Delivery)是目前主流的快充协议之一。是由USB-IF组织制定的一种快速充电规范。USB PD通过USB电缆和连接器增加电力输送,扩展USB应用中的电缆总线供电能力。快充实现的核心之处为供电端与用电端通过PD控制器实现电力协商,使供电参数可满足用电端所能承受的最大规格。首先本文通过深入研究USB PD协议,掌握PD快充的原理及实现方法。同时研究PD控制器中插入检测、物理层和协议层三部分的结构以及功能。根据协议要求,利用Verilog HDL语言完成了控制器物理层发送机与接收机的设计。发送机主要包括4b5b编码模块、BMC编码模块、crc32计算模块、发送状态机模块等。接收机主要包括BMC解码模块、移位控制模块、5b4b解码模块、crc32校验模块,接收状态机模块等。利用以上设计模块可实现硬件电路对PD通信数据的编码、解码、校验和传输工作。利用VCS对物理层的硬件电路进行功能验证,确认了上述所有设计模块的正确性。利用C语言完成控制器插入检测和协议层的设计。其中,协议层根据功能需求分为发送模块和接收模块两部分,实现对插入设备检测、通信数据包配置、数据包解析以及数据包信息处理等功能。最后将设计烧录到FPGA,搭建验证平台,完成对控制器的板级测试。将协议层所配置的通信数据包作为测试激励,通过仿真器与PD协议测试仪模拟充电过程,利用逻辑分析仪、PD协议分析仪以及示波器对测试结果进行分析。测试结果表明,硬件电路对数据包的处理正确,供电端与用电端的电力协商过程与协议要求一致,CC线在工作中电压为1V符合要求。供电端所能提供的供电参数共5种,分别为5V/3.03A、9V/2.39A、12V/2.31A、15V/1.91A、20V/1.83A。

关键词：快速充电功率 USB PD协议 USB PD控制器电力协商

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基于USB＿PD协议的快充控制器设计及UVM验证

基于USB＿PD协议的快充控制器设计及UVM验证

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作者：王晨卜西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着半导体产业的蓬勃发展,手机等便携式电子设备的性能飞速提升,同时也带来了功耗的急剧增加,如何延长设备续航时间成了工业界和学术界的目标。由于锂电池技术的发展陷入停滞,电池容量规格并没有实质性的突破,提高充电效率的快速充电... 详细信息

随着半导体产业的蓬勃发展,手机等便携式电子设备的性能飞速提升,同时也带来了功耗的急剧增加,如何延长设备续航时间成了工业界和学术界的目标。由于锂电池技术的发展陷入停滞,电池容量规格并没有实质性的突破,提高充电效率的快速充电技术是目前解决设备耗电需求最有效的方案。USB IF组织基于USB Type-C接口制定的USB＿PD协议,可以兼容市场上多种快充协议,支持大功率充电,是当下认可度和使用率最高的快充技术,具备研究意义与实际应用价值。本文基于实习单位某快充协议芯片项目,主要研究USB＿PD协议通信架构中物理层与协议层功能,通过Verilog HDL硬件描述语言设计实现Sink端快充控制器。物理层负责通过CC线缆发送与接收数据:发送机包括数据包装模块、4B5B编码模块与BMC编码模块,并设计状态机实现符合协议规定的数据发送流程;接收机包括前导码锁定模块、BMC解码模块、SOP*码检测模块与5B4B解码模块,将有效数据包传输至协议层;同时在物理层中添加了BIST模块,设计状态机实现控制器自测试功能。协议层负责数据包的构建与解析:分别设计发送端与接收端状态机实现协议层与物理层之间数据消息的传输;提出将CRC-32模块集成在协议层的设计思路,替代常规物理层中CRC计算与校验功能;设计状态机实现Good CRC消息的自动回复、Hardreset消息的发送以及消息自动重发功能。最后设计CC Logic模块,实现对线缆插拔与Type-C接口工作模式的检测。由于传统验证方法完备性不足且效率低、可移植性差,本文选择基于UVM通用验证方法学针对USB＿PD协议搭建一个层次化的高效验证平台。根据提取的验证点制定验证计划,构建测试用例,进行多次随机迭代测试,覆盖多种测试场景,分析验证结果,借助EDA工具自动收集覆盖率,改进测试方案,使代码覆盖率与功能覆盖率均达到100%,完成前端功能验证。相较于传统验证方式,本文搭建的验证平台优势在于能够实时进行验证数据分析对比,及时通报错误信息,自动进行结果收集与分析,极大提高验证工作的效率与复用性。流片后使用EVB测试板完成板级测试,通过DSLogic逻辑分析仪与示波器测试电力协商的供电能级切换。最后借助GRL-PD测试仪完成USB＿PD协议认证测试项目。根据仿真与测试的结果来看,本文实现了基于USB＿PD协议的快速充电Sink端控制器所需功能,达到了预期目标。

关键词：快速充电 USB_PD 电力协商 UVM

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基于Type-C的双角色USB＿PD控制器设计验证技术研究

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作者：李珍宇西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着科学技术的进步,电子设备性能得到提升,同时也带来了设备高耗电的问题。产业界和学术界针对这一问题提出了两种解决思路,一种是增大电池容量,另一种是缩短充电时间。受限于电池技术的发展,采取后一种思路即提高充电功率、缩短充电... 详细信息

随着科学技术的进步,电子设备性能得到提升,同时也带来了设备高耗电的问题。产业界和学术界针对这一问题提出了两种解决思路,一种是增大电池容量,另一种是缩短充电时间。受限于电池技术的发展,采取后一种思路即提高充电功率、缩短充电时间成为解决上述问题的最佳方案。USB＿IF组织在2014年发布了USB＿PD快充协议,该协议支持最高充电功率可达100W。在电池容量不变的情况下,使用PD协议能够极大地缩短充电时间。因此,对PD协议展开研究并工程化实现具有重要的现实意义。本文在分析对比现有PD协议控制器技术的基础上,引入TCPCI协议,提出集成在TCPC硬件系统中优化的PD控制器架构。增加收发机控制器模块控制PD收发机行为、缓存消息数据。本文将所有硬件模块集成在TCPC系统中,对软件呈现统一的标准化寄存器接口,能够提高驱动软件的兼容性,减少因重复开发造成的智力资源浪费。本文对PD协议的物理层和协议层内容进行了深入研究,提出了PD快充控制器的设计方法。设计物理层发送机,给待发送数据添加前导码、SOP*码和EOP码,再进行4b5b编码,最后将数据以BMC码的形式发送至CC线上。设计物理层接收机接收CC线上的BMC码,完成前导码检测后进行BMC解码、5b4b解码,将解码后的数据以字节形式传送至协议层。设计协议层发送机、接收机,实现消息数据在收发机控制器和物理层之间的搬运和相关标志信号的传递功能。本文在研究Type-C协议和TCPCI协议的基础上,提出了双电源角色设计方法。双电源角色设计能够打破传统电子设备单一角色的限制,使得电子设备对其他电子设备进行快速充电成为现实。与已有的技术相对比,本文设计支持电源角色自主可配。用户既可以选择电子设备仅作为耗电端或充电端,也可以作为双电源角色进行DRP检测。检测到用电设备连接则向外充电,检测到供电设备连接则获取电能,能够满足不同应用场景下对电子设备电源角色的不同需求。在完成设计后,搭建验证平台进行仿真,验证功能的正确性。同时将设计代码烧录至FPGA,连接GRL测试仪,完成协议认证的DRP toggle测试和电力协商测试。从测试结果看,实现了设计功能,达到了本次研究目的。

关键词：快充协议 PD控制器 TCPC系统双电源角色电力协商

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