一种供电设备、供电系统、供电方法与流程

技术领域

本发明涉及供电领域，尤其是一种供电设备、供电系统、供电方法。

背景技术：

如今，用电设备众多，用电设备需要配套供电设备来实现充电，用电设备以智能通信产品为例，在智能通信产品如手机更新换代、一年一换的现代社会，由于手机与充电器一般是一一对应、匹配使用的，更换手机时，手机的供电设备即充电器也随手机一块更换，换下来的充电器就成了垃圾，不能重复利用，造成巨大的资源浪费。而且在使用别的手机时，由于充电器不匹配，导致充不上电，或者充电非常慢或者充不满电，充电器再利用的价值的就变得微乎其微了。市面一些做了兼容的充电器，但是它是固化在充电器里面，虽然能充上电，但是由于是兼容的办法做出来的。无法配合手机做到快速、优化的充电。并且，它只能针对已有的手机进行兼容，无法对做任何修改，无法对其作任何更新和优化，还有由于充电器本身电压、温度、使用寿命等参数的变化，导致识别IC判别失误的几率大增，甚至使用一段时间后出现无法使用的结果。其他的供电设备，例如移动电源和电源适配器，也存在上述的问题，因此，提供一种解决方案是十分必要的。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可接收外部控制信号实现充电电压可控、兼容性强的供电设备，相应地，还提供一种供电系统和供电方法。

本发明所采用的技术方案是：一种供电设备，包括电源输入端、可控DC-DC变压电路和具有OTG功能的USB接口，所述USB接口包括用于接收可控DC-DC变压电路的控制信号的控制端和用于输出充电电压的电压输出端，所述电源输入端与可控DC-DC变压电路的输入端连接，所述控制端与可控DC-DC变压电路连接，所述可控DC-DC变压电路的输出端连接到电压输出端。

进一步地，所述可控DC-DC变压电路包括MCU、第一电感、第一电容、第一二极管和第一开关管；所述电源输入端与第一开关管的正输出端连接，所述第一开关管的控制端与MCU的输出端连接；所述第一开关管的负输出端分别与第一电感的一端、第一二极管的正极连接，所述第一二极管的负极接地，所述第一电感的另一端与第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端接地；所述第一电感的另一端通过第二开关管的负输出端、正输出端与USB接口的电压输出端连接，所述第二开关管的控制端与MCU的输出端连接，所述USB接口的控制端与MCU连接。

进一步地，所述可控DC-DC变压电路还包括第三开关管、第一稳压二极管和第一电阻，所述第二开关管的负输出端与MCU的输入端连接，所述第三开关管的控制端与MCU的输出端连接，所述第三开关管的负输出端接地，所述第三开关管的正输出端与第一稳压二极管的负极连接，所述第一稳压二极管的正极与第二开关管的负输出端连接，所述第一电阻的一端分别与MCU的输入端、USB接口连接，所述第一电阻的另一端接地，所述第一电容的一端与MCU的输入端连接。

进一步地，所述可控DC-DC变压电路还包括温敏电阻，所述温敏电阻的一端与MCU的输入端连接，所述温敏电阻的另一端接地。

进一步地，所述第一开关管为PMOS管，所述第二开关管和第三开关管为NMOS管，所述PMOS管和NMOS管的栅极为开关管的控制端，所述PMOS管和NMOS管的源极为开关管的负输出端，所述PMOS管和NMOS管的漏极为开关管的正输出端。

进一步地，所述供电设备为移动终端直充充电器、电源适配器或移动电源。

本发明所采用的另一技术方案是：一种供电系统，包括智能通信终端、用电设备、所述的供电设备，所述供电设备的电源输入端与电源连接，所述智能通信终端、用电设备分别与供电设备的USB接口连接。

进一步地，所述智能通信终端包括手机、笔记本电脑、iPAD或PDA。

进一步地，所述用电设备包括智能通信终端。

进一步地，所述供电系统还包括云服务器，用于存储对应不同用电设备时供电设备的升级数据，所述智能通信终端通过网络与云服务器连接。

本发明所采用的另一技术方案是：一种供电方法，应用于所述的供电系统，包括以下步骤：

S1、智能通信终端获取用电设备的设备信息和供电设备的版本信息；

S2、智能通信终端将用电设备的设备信息与供电设备的版本信息进行对比，以判断供电设备是否支持对用电设备进行快速充电，若支持，则供电设备对用电设备进行快速充电，否则，进入步骤S3；

S3、智能通信终端联网获取供电设备的升级数据并将其发送至供电设备，以实现供电设备升级，进而供电设备对用电设备进行快速充电。

进一步地，所述升级数据包括对应用电设备的快充协议、充电参数和保护参数。

进一步地，所述供电设备对用电设备进行快速充电包括：

所述供电设备判断用电设备是否支持快速充电，若支持，供电设备根据快充协议对用电设备进行快速充电；否则，供电设备根据充电参数对用电设备进行普通充电，并且供电设备的MCU实时获取充电电流、充电电压以进行充电电流、充电电压调节，实现充电加速。

本发明的有益效果是：本发明中一种供电设备，通过具有OTG功能的USB接口实现控制数据传输，进而控制可控DC-DC变压电路改变输出的充电电压，实现充电电压可控，增强供电设备对用电设备的兼容性，提供供电设备的实用性，供电设备能够重复合理的使用，减少环境污染；本发明中一种供电系统，通过智能通信终端发送可控DC-DC变压电路的控制数据，实现供电设备兼容对多种用电设备进行供电；另外，一种供电方法，在供电设备与用电设备不匹配时，通过智能通信终端获取供电设备的升级数据实现升级，以匹配用电设备对其进行供电，提高供电设备的兼容性，实现的方法简单且有效。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明中一种供电设备的结构框图；

图2是本发明中一种供电设备的一具体实施例电路图；

图3是本发明中一种供电系统的结构框图；

图4是本发明中一种供电方法的方法流程图；

图5是本发明中一种供电系统的一具体实施例示意图；

图6是本发明中一种供电方法的一具体实施例流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种供电设备，参考图1，图1是本发明中一种供电设备的结构框图，包括电源输入端、可控DC-DC变压电路和具有OTG功能的USB接口，USB接口包括用于接收可控DC-DC变压电路的控制信号的控制端和用于输出充电电压的电压输出端，电源输入端与可控DC-DC变压电路的输入端连接，控制端与可控DC-DC变压电路连接，可控DC-DC变压电路的输出端连接到电压输出端。

本发明中一种供电设备，通过具有OTG功能的USB接口实现控制数据传输，进而控制可控DC-DC变压电路改变输出的充电电压，实现充电电压可控，增强供电设备对用电设备的兼容性，提供供电设备的实用性，供电设备能够重复合理的使用，减少环境污染。

作为技术方案的进一步改进，参考图2，图2是本发明中一种供电设备的一具体实施例电路图，可控DC-DC变压电路包括MCU、第一电感L1、第一电容C1、第一二极管D1和第一开关管；本实施例中，MCU如图2中的IC1，采用STMF103FSSOP20型号的单片机来实现，第一电容C1采用电解电容来实现，第一开关管为PMOS管，第一开关管如图2中的Q1，PMOS管的栅极为开关管的控制端，PMOS管的源极为开关管的负输出端，PMOS管的漏极为开关管的正输出端。电源输入端POWER与第一开关管Q1的正输出端连接，第一开关管Q1的控制端与MCU的输出端连接；第一开关管Q1的负输出端分别与第一电感L1的一端、第一二极管D1的正极连接，第一二极管D1的负极接地，第一电感的另一端与第一电容的一端连接，第一电容的另一端接地；第一电感L1的另一端通过第二开关管的负输出端、正输出端与USB接口的电压输出端连接，第二开关管的控制端与MCU的输出端连接，USB接口的控制端与MCU连接，这里，第二开关管如图2中的Q2，Q2为NMOS管，NMOS管的栅极为开关管的控制端，NMOS管的源极为开关管的负输出端，NMOS管的漏极为开关管的正输出端，USB接口的电压输出端为VDD端和GND端，第二开关管Q2的正输出端与USB接口的VDD端连接，USB接口的GND端接地；USB接口的控制端包括D-端、D+端和ID端，它们分别与MCU连接。MCU负责整个供电设备的系统运行，电压调整通过PWM控制PMOS管Q1，电感L1，电容C1，二极管D1构成一个简单的Bulk电路（当然也可以使用BOOST，buck-boost 电路、Cuk电路等），达到电压电流调整的目的。因此，供电设备通过USB接口的控制端接收控制信号并将控制信号发送至MCU，MCU根据控制信号控制第一开关管的导通时间控制充电电压的大小，实现兼容不同用电设备。

作为技术方案的进一步改进，参考图2，图2是本发明中一种供电设备的一具体实施例电路图，可控DC-DC变压电路还包括第三开关管、第一稳压二极管ZD1和第一电阻R1，本实施例中，第三开关管为NMOS管，如图2中的Q3，NMOS管的栅极为开关管的控制端，NMOS管的源极为开关管的负输出端，NMOS管的漏极为开关管的正输出端；第二开关管Q2的负输出端与MCU的输入端连接，第三开关管Q3的控制端与MCU的输出端连接，第三开关管Q3的负输出端接地，第三开关管Q3的正输出端与第一稳压二极管ZD1的负极连接，第一稳压二极管ZD1的正极与第二开关管Q2的负输出端连接，第一电阻R1的一端分别与MCU的输入端、USB接口连接，本实施例中，第一电阻R1的一端与USB接口的GND端连接，第一电阻R1的另一端接地，第一电容C1的一端与MCU的输入端连接。因此，如图中，USB接口、第一稳压二极管ZD1与MCU的C5、C6引脚连接，实现电流测量反馈；其次，通过将第一电容C1的一端与MCU的D6引脚连接，实现电压测量反馈，则供电设备可实时测量充电电压和充电电流，实现反馈控制，NMOS管Q3主要是保护供电设备的输出和保护用电设备的作用。

作为技术方案的进一步改进，参考图2，图2是本发明中一种供电设备的一具体实施例电路图，可控DC-DC变压电路还包括温敏电阻R2，温敏电阻R2的一端与MCU的输入端连接，温敏电阻R2的另一端接地。通过温敏电阻R2可实现供电设备的温度测量，方便MCU根据测量得到的温度进行充电控制。

作为技术方案的进一步改进，供电设备为移动终端直充充电器、电源适配器或移动电源。

一种供电系统，参考图3，图3是本发明中一种供电系统的结构框图，包括智能通信终端、用电设备、所述的供电设备，供电设备的电源输入端与电源连接，智能通信终端、用电设备分别与供电设备的USB接口连接。

本发明中一种供电系统，通过智能通信终端发送可控DC-DC变压电路的控制数据，实现供电设备兼容对多种用电设备进行供电。其中，控制数据包括供电设备的升级数据。其中供电设备的USB接口除了带有OTG功能的USB接口之外，其它支持数据双向传输的智能通信终端的接口，也在本发明的保护范围之内。

作为技术方案的进一步改进，智能通信终端包括手机、笔记本电脑、iPAD或PDA等可进行联网通信的智能产品。

作为技术方案的进一步改进，用电设备包括智能通信终端。当用电设备为智能通信终端时，智能通信终端发送控制数据如升级数据，帮助供电设备实现升级兼容之后，供电设备可对智能通信终端进行供电。当用电设备为其它非智能通信终端时，智能通信终端帮助供电设备实现升级兼容之后，供电设备对非智能通信终端进行供电。

作为技术方案的进一步改进，供电系统还包括云服务器，用于存储对应不同用电设备时供电设备的升级数据，智能通信终端通过网络与云服务器连接。

一般地，供电设备的升级数据可通过智能通信终端联网获得，可以是人为搜索获得，也可以通过智能通信终端与后台的云服务器连接获取得到，云服务器存储有对应不同用电设备时，供电设备的升级数据，保证供电设备的正常升级。

一种供电方法，应用于所述的供电系统，参考图4，图4是本发明中一种供电方法的方法流程图，包括以下步骤：

S1、智能通信终端获取用电设备的设备信息和供电设备的版本信息；

S2、智能通信终端将用电设备的设备信息与供电设备的版本信息进行对比，以判断供电设备是否支持对用电设备进行快速充电，若支持，则供电设备对用电设备进行快速充电，否则，进入步骤S3；

S3、智能通信终端联网获取供电设备的升级数据并将其发送至供电设备，以实现供电设备升级，进而供电设备对用电设备进行快速充电。

一种供电方法，在供电设备与用电设备不匹配时，即供电设备无法对用电设备进行快速充电，一般地，供电设备存储有可支持的用电设备的信息，包括用电设备的型号、对应的充电参数、保护参数等，当用电设备不在可支持的用电设备里面，则需要进行供电设备升级，否则，供电设备可对用电设备进行升级。本发明通过智能通信终端获取供电设备的升级数据实现升级，以匹配用电设备对其进行供电，提供供电设备的兼容性，实现的方法简单且有效。

作为技术方案的进一步改进，升级数据包括对应用电设备的快充协议、充电参数和保护参数。供电设备根据升级数据完成升级后，根据快充协议、充电参数和保护参数等数据，对用电设备进行快速充电。以手机为例，快充协议有QC协议、PE协议和OPPO协议。

作为技术方案的进一步改进，供电设备对用电设备进行快速充电包括：

供电设备判断用电设备是否支持快速充电，若支持，供电设备根据快充协议对用电设备进行快速充电；否则，供电设备根据充电参数对用电设备进行普通充电，并且供电设备的MCU实时获取充电电流、充电电压以进行充电电流、充电电压调节，实现充电加速。普通充电时，供电设备通过适当提高充电电压，加大功率输出，提高充电速度。

对于不支持快速充电的用电设备，例如不支持快充协议的手机，供电设备即充电器的MCU实时获取充电电流、充电电压，计算充电功率，逐步提高充电电压，加大功率输出，提高充电速度，弥补线，接口接触电阻带来的损耗的办法，保持手机的PMU对电池充电的最佳状态，这样可以提高5%以上的充电速度。

由于我们通常使用的电源充电器，其输出功率是恒定的，而且为了节约成本基本只考虑在关机状态时进行充电。在开机状态充电时由于其输出功率不够，为了保证手机的运行，只有降低对电池充电的电流，不可避免的就增加了充电时间。这样，要想最快充好电，只有关闭手机充电，对正常使用手机带来不便，因此，本发明中，在长期的使用过程中，动态调整输出的充电电压，保证充电过程中，无论是打电话，还是看电影，都能够给手机提供足够的电，保证输出到电池上的电流是恒定的、最大的，这样可以提高20-50%的速度。我们通过实时跟踪调整输出功率的方式，保证无论手机在何种状态下，都有足够的电能提供，保证对电池的充电电流恒定；减少充电时间，延长电池的寿命。

实际中，智能通信终端需要安装相应的控制APP实现与用电设备和供电设备的数据交互，而供电设备也需要写入相应的软件进行工作控制，供电设备的软件模块主要包括：USB接口模块、充电管理模块、充电参数、升级管理模块和输出保护管理模块，其中，USB接口模块负责主从模式的切换，从模式时，处理与智能通信终端之间的通信，主模式负责和用电设备的充电模式匹配，比如快冲协议的通信，QCR协议的匹配等等；充电管理模块主要负责快冲时根据充电时智能通信终端发过来的通信信号，按照命令要求输出指定的电压、电流；比如QC协议充电时，在没有通信没有建立时，输出5V的电压；当QC协议通信成功后，输出电压上升到9V，或者12V；普通充电模式时，在输出指定的电压的同时，提高输出电压，在低于安全电压的范围内，输出最大的功率给用电设备，加快充电速度，减少充电时间；充电参数、升级管理模块负责管理用电设备的保护参数、充电参数以及软件版本信息、升级管理；最后，输出保护管理模块负责管理用电设备在充电时的充电保护。

以手机作为用电设备和智能通信终端为例，说明供电设备即充电器的充电保护机制：通信交互确认手机、充电器各自的电压、工作电流、保护电流、异常电流的工作范围和参数，保证了各设备工作的安全范围，避免出现电压、电流超出安全范围导致的设备的损坏。比如当使用5v对手机进行充电，我们测试的该型号的手机的最大充电电流是1.5A，当手机内部线路有问题时，导致充电电流上升到2A时，我们通常的普通充电器由于只有短路保护，无检测到这些细微的变化，会继续供电，导致手机损坏。而本发明中的充电器会根据这些保护参数，智能的对手机进行保护。当监控到电流超出指定值时，会发起和手机通信的请求。通过和手机的控制APP进行沟通，确认手机的使用电量、充电电量、充电器的输出电量、温度等参数判断手机是否有内部短路，推断出是否有爆炸起火的可能，进而关闭输出，打开手机警报，报警提示用户。

具体地，供电设备具有以下八级保护（用电设备以手机为例，供电设备以充电器为例）：

第1级保护：手机和充电器协议参数充分交互沟通，保证充电器输出的电流，电压符合要求。

第2级保护：短路保护。外部异常出现短路时，充电器能在极短的时间内（比普通充电器反应快3倍）检测到这一问题，快速的关闭输出，保护手机。

第3级保护：手机内部充电电路异常保护，当手机内部充电电路异常时会出现电流的变化，通过监控这一电流的变化来保护手机，避免进一步损坏手机。

第4级保护：手机内部电池问题异常保护。当电池出现轻微的损坏，或者异常时，在充电过程中都会出现和正常电池不一样的电流曲线，通过充电器和手机的进一步的参数比对（使用电量、充电电量、充电器的输出电量、温度等），确认手机是否有爆炸起火的可能，及时提醒用户，避免出现人身安全事故。

第5级保护：线路、接触口保护。手机在使用过程中，由于充电线折断，接头松动导致接触不良，这频繁的充电其实也是一种对手机，对手机电池是一种损坏，我们可以通过电流、电压的变化检测到这一问题，当电流和电压发生波动和突变时，及时提醒用户更换充电线或维修手机，避免问题扩大。

第6级保护：温度保护。我们通常的手机充电时，手机的温度过高时，充电器并不会关闭输出，依然给手机供电，这样就有安全隐患，有可能继续供电会导致手机出现发热起火。我们通过温敏电阻监控手机端的温度，当温度大于预定值时，切断电压输出，以保护手机。

第7级保护：充满电保护。在手机充满后，充电器会关闭输出，避免长时间给手机充电带来的隐患。

第8级保护:非手机类设备限流，短路充电保护。现在有需要设备都可以通过USB对其充电，但是由于通常的手机充电短路电流点都设得比较高，没法真正启动保护作用。这款充电器识别到为非手机设备时，自动调整短路电流参数，保护设备的充电安全。

下面以智能通信终端为手机、供电设备为充电器、用电设备为智能通信终端即手机为例，说明本发明的供电方法：

参考图5，图5是本发明中一种供电系统的一具体实施例示意图，手机充电器通过有OTG接口的充电线连接到手机，和手机进行通信交互和充电。手机充电是通过USB和充电器连接的，不管是USB 2.0 micro标准还是USB 3.1 Type c的接口上都有OTG功能。

参考图6，图6是本发明中一种供电方法的一具体实施例流程图，手机连接到充电器后，充电器判断手机是否插入，若插入，则打开充电器的USB接口的D+端、D-端的io口打开，把OTG线的ID脚置低，启动OTG，让手机处在host状态，这时手机开始读取充电器的设备信息，包括充电器的版本信息，以及充电器所支持的手机的信息，信息包括手机型号、对应的快充协议、充电参数和保护参数。手机上预装的APP在收到充电器的设备ID，版本信息后，充电器握手版本信息交互，与手机APP的版本进行比对，如果发现当前充电器的软件版本需要升级来支持快速充电模式时，即手机内APP读取的手机型号和充电器内的用电设备列表不匹配时，则对充电器写入升级请求，同时手机端在确认手机电量之后提示升级，手机的APP将连接网络，下载是否有可行的适配参数，如果有则通过网络下载对应的程序即脚本，此处，若网络上无法下载到相应的程序，则手机APP可以与后台的服务器连接，查找是否相应的程序。充电器通过USB接口接收手机下载的脚本，并与手机检验数据是否正确，数据完好正确则更新充电器上的代码，完成适配，重启充电器，然后开始最优化的充电方式对手机充电。需要注意的是，除了下载程序脚本，相应的充电参数和保护参数也会一并进行获取。

如果不需要升级，则充电器释放ID脚，让手机退出进入充电模式，关闭OTG，切换到最优充电模式，支持快充协议的，利用充电器内存储的快充协议进行快速充电，否则根据存储的充电参数进行充电，并且实时获取充电电压，适当提高充电电压实现充电加速。若充电完成，则结束充电器与手机之间的通信。

快充协议有很多种，而且更新很快，而且相互间不兼容。也就是A家的充电器充不了B家的手机是常有的事。但是硬件接口基本都是那4根线（V+ V- D+ D-），我们根据手机的型号，下载对应的通信脚本，用这种方式来对应已有，新出的各种快充协议，达到资源能够重复合理的使用，减少环境污染。充电器根据通信脚本和手机通信交互，控制充电器输出指定的电压，电流给手机充电，完成对手机的快速充电。比如QC快冲协议在有9V输出的请求时，改变充电器的5V输出到9V，实现快速充电。

通过充电器和手机通过USB接口进行沟通，手机再和网络沟通，通过网络获取正确的配置参数后，再通过手机的USB充电口把适配的充电参数下发给充电器。把最合适的充电方案给到充电器，然后充电器按最优化的充电方式给手机或者平板充电。比如QC3.0，PE，PD充电等的，再比如未来的QCx.0等等。并且根据手机的电池的特性，充电器的特性优化最佳的充电效果和保护。实现多种手机，一个充电器就可以搞定充电，一次投入，多年使用，节能减排。不品牌，不同型号的手机，其充电方式多种多样，通过本发明的充电器和手机交互的方式，通过充电器升级，保证任何手机都能用一个充电器都可以充电。避免了购买多个充电器的可能，节约了资源的消耗。做到节能节排。并且通过手机APP监控自身电池电量、充电器输出电量，手机的PMU的控制可以分析出一个针对该手机优化的输出电压，再通过这个电压对手机充电，一对一的优化充电效果，达到减少充电时间，延长电池寿命。

类似地，笔记本电脑、IPAD等智能通信终端的供电过程与手机相同，不再赘述；而对于其他没有通信能力的用电设备，我们借助智能通信终端作为中介，获取相应的升级数据之后，供电设备即可实现对用电设备进行供电。

本发明一种供电方法，在供电设备与用电设备不匹配时，通过智能通信终端获取供电设备的升级数据实现升级，以匹配用电设备对其进行供电，提高供电设备的兼容性，实现的方法简单且有效。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。