CN113228459A - 充电电缆死区缓解 - Google Patents

Abstract

一种充电电缆配置为在连接到可充电设备电缆插头时自由旋转。所述插头具有由绝缘体分隔的接触垫片，并且所述匹配的电缆接头具有用于接触所述插头所述垫片的插脚。可能存在“死区”位置，其中所述电缆接头的一个或多个插脚搁置在所述分隔件上并且不与所述电缆插头的所述充电垫片接触。示例包括用于冗余充电路径的所述电缆接头中的插脚，所述冗余充电路径是互补的，使得在任何给定时间只有一条所述电源路径接通。当所述电缆进入其一条电源路径搁置在所述“死区”的位置时，所述电缆中的电路切换到能够向所述设备提供电力的所述第二电源路径。

Description

充电电缆死区缓解

相关申请的交叉参考

本申请要求2018年12月27日提交的名称为“充电电缆死区缓解”的美国临时申请62/785,489号的优先权，其内容通过引用全文纳入本申请。

技术领域

本主题涉及一种充电电缆，其设计为在连接到待充电设备时可旋转，并涉及一种技术，所述技术用于缓解因电缆接头接触插脚可能落在可充电设备电缆插头的充电垫片之间的绝缘体上而产生的任何死区效应。

背景

许多类型的电子设备，如便携式或可穿戴设备，都具有集成电子产品，该集成电子产品需要电池形式的内置电源。这种设备不时耦合到电源以对电池充电。这种为电子设备充电的方法通常使用连接到电子设备上的适当接收器的充电电缆。

附图简述

附图仅以事例的方式而非限定的方式示出了一个或多个实施例。在附图中相同的附图标记表示相同或类似的元件。

图1是示例组合或系统的高级块图，包括充电电缆和可充电设备，设备上的电缆接头和电缆插头被配置为可旋转耦合。

图2是充电电缆接头插座和充电设备电缆插头示例的等距视图。

图3是包括在图2中的电缆接头的放大图，示出了用于接收可充电设备电缆插头的插座凹槽，并示出了用于接触可充电设备电缆插头垫片的电源(Pwr.)和接地(Gnd.)插脚。

图4是电池供电的可充电设备示例的功能块图。

图5是可充电设备在若干状态下的示例电流消耗以及用于指示电缆和设备经由电缆接头和电缆插头连接的电流检测阈值的曲线图。

图6是类似于图5的可充电设备示例电流消耗的曲线图，而且显示电流的调制。

图7是充电电缆示例的功能块图。

图8示出了电缆插头、电缆接头插脚以及用于将一对插脚选择性连接到电源和接地(形成电缆和可充电设备之间的接口)的相关开关的示例的元件。

图9是可用于图7充电电缆中的开关逻辑电路的示例的逻辑图。

图10、11、12和13是在若干不同系统状态下感测到的电流随时间变化的示例的曲线图。

图14示出了定时条件的多个示例。

详细说明

在以下详细说明中，为了对相关教导能够有透彻的理解，通过示例的方式阐述了许多具体细节。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些细节的情况下实施本教导。

以下实施例说明旨在结合附图阅读，附图被认为是整个书面说明的一部分。在说明中，“右”、“左”、“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“以上”、“以下”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”及其派生词(例如“水平地”、“向下”、“向上”等)等相关术语应当被解释为指如当时描述的或如正在讨论的附图中所示的方向。这些相关术语是为了便于描述，不要求在特定方向上构造或操作仪器。关于连接、耦合等的术语，例如“耦合”、“连接”和“互相连接”，是指这样一种关系，其中各结构通过居间结构直接或间接彼此固定或连接，以及两种结构形成可移除或刚性的连接或关系，除非另有明确说明。

本文公开的各种示例涉及电池供电电子设备充电中使用的电缆，其中电缆接头将电缆可旋转地连接到电子设备上的兼容插头，并连接到电缆电路并可能连接到可充电设备中，以缓解任何潜在的死区效应。

充电电缆可设计成在连接到下游可充电设备时可自由旋转。在以下描述的示例中，电缆包括电源总线和接地总线以及电缆接头，电缆接头具有插座凹槽和向内突出的插脚，该插脚耦合到总线，用于电连接到要充电的电池供电设备。可充电设备具有电缆插头，用于当电缆耦合到可充电设备时插入到电缆接头的插座凹槽中。

电缆插头包括两个由合适的导电材料(如刚性、耐用、导电金属)制成的充电接触垫片，由合适的塑料等绝缘体隔开。在该示例中，充电接触垫片表面在电缆插头的近似圆柱形表面周围的不同位置处暴露以用于可能的插脚接触，例如安装并暴露在圆柱形表面的相对侧上，其中分隔件的区域将充电接触垫片的暴露表面的端部或边缘彼此隔离，从而可能形成死区。

采用这种电缆接头和电缆插头配置，充电电缆(包括电缆接头)可相对于可充电电池供电设备的插头自由旋转。然而，可能存在某一位置，其中电缆接头的充电插脚将不与设备电缆插头上的充电垫片接触，因为插脚搁置在塑料分离件上。在这个死区位置，没有电连接，充电电缆不能向设备供电，直到用户旋转电缆。这可能迫使用户，例如，将电缆接头摆脱死区，以便激活或恢复充电。插脚落在死区上的可能性或概率可能取决于塑料分离件的机械宽度、公差、接收件或电缆接头上的磨损和撕裂以及用户行为。

以下示例通过在充电电缆接头提供冗余电源和接地插脚，引入第二条电源路径。在特定示例中，两条单独电源路径为互补的，使得在任何给定时间将仅接通一条电源路径。当电缆进入其一条电源路径位于“死区”的位置时，电缆的逻辑电路控制一个或多个开关，以便将充电电流改变为能够向设备提供电源的第二电源路径。

可以利用各种形式的检测，例如，检测接头与接收件中电缆插头的耦合，并检测在任何给定时间，哪些插脚正确接触电缆插头的充电接触垫片。使得能够控制开关以激活通过电缆接头插脚的电流流动，所述电缆接头具有与可充电设备电缆插头接触垫片的适当接触。可以多种方式(例如使用接近传感器)检测设备存在。然而，这些示例不是添加额外的传感器插脚或额外的接触垫片用于连接感测，而是依靠感测通过由电缆接头和电缆插头形成的电路的电流。可以利用各种电流检测技术。例如，充电电缆的逻辑可以交替连接到一对插脚，以便在感测到的电流低时使用电缆接头中的两组电源和接地插脚在两条电源路径之间切换。当一条路径上的电流感测变高时，逻辑控制一个或多个开关以便选择性地维持该路径并停止切换。

现详细说明如以下附图所示和讨论的示例。图1示出了形成系统10的元件整体组合的示例。如图所示，系统10包括可充电设备11和充电电缆15。如后面的图4所示，可充电设备11包括设备电路17，包括电池和耦合到电池的电池充电器电路。可充电设备11还包括电缆插头19，电缆插头19包括耦合到向电池充电器电路供电的第一和第二充电接触垫片。绝缘体将接触垫片进行电隔离。在图2或图8所示的示例中，充电垫片包括耦合到电池充电器电路的电源接触垫片、耦合到可充电设备接地的接地接触垫片以及电源接触垫片与接地接触垫片之间的绝缘体。然而，显而易见的是，插头的接触点或接触垫片不必严格地就是电源或接地接触，任一个垫片都可以起到替代功能。仅为方便起见，对非限制性示例的进一步讨论有时将特定接触点或垫片称为电源接触垫片，而另一接触点或垫片称为接地接触垫片。

充电电缆15包括与电源的连接。尽管可以使用其它类型的连接器和相关电源，但是该示例中的电源连接器是凸形USB连接器21。尽管不一定是系统10的一部分，但附图还示出了兼容电源，在使用USB连接器21的示例中，该兼容电源会是USB电源23。USB电源23的示例包括计算机、墙上适配器或汽车充电器，其中凹形USB端口被配置为接收充电电缆15的凸形USB连接器21。

本示例中的充电电缆15包括绝缘线束25，该绝缘线束包括电源总线27和接地总线29。为了其它目的，可以包括其它电线或总线。在该示例中，线束将USB连接器21连接到电缆电路31，电缆电路31连接到电缆接头33。然而，示出的布置是非限制性示例，并且可以使用电缆元件的其它布置。在替代配置中，在电缆电路31与电缆接头33之间可存在附加线束，或在另一替代配置中，电缆电路31可连接到USB连接器21或与USB连接器21集成(具有电路31或连接器21内部的电源和接地总线)，且稍微不同的电缆束将电路31连接到电缆接头33。

在高的标准上，电缆接头33有一个凹槽，当电缆15的接头33可旋转地与可充电设备11的电缆插头19耦合时，该凹槽配置为接受电缆插头19。下面参照图2和图3，对电缆插头19和电缆接头33进行更详细的讨论。电缆电路的示例将在后面参照图7-9进行讨论。

现在参考图2，电缆插头19被示为从可充电设备外壳等的壁41延伸的圆柱形接线柱。尽管可以使用其它形状，但是相当圆的圆柱形形状在使具有适当形状配合插座凹槽的电缆接头能够旋转时特别有效。该附图示出了侧向连接到线束25端部的圆柱形插座43形式的电缆接头33的示例。为方便起见，图2省略了电缆电路。在该说明示例中，电缆插头19暴露在可充电设备外壳的外表面上，并且当插头19和电缆接头33耦合在一起用于设备充电时，不存在可能影响或干扰电缆围绕电缆插头19旋转的邻近障碍物。

尽管未示出，但电缆插头19可以作为设备中接收件的一部分而嵌入，电缆的其他元件(例如图1中的线束25或电路31)可以轴向连接到电缆接头插座43的端部(例如，在所示方向上连接到顶侧)，该端部与用于接收电缆插头19的插座凹槽相对。在这种布置中，设备上的充电接收件将包括比圆柱形插座43的外侧面周界稍大的圆柱形凹槽，并且电缆插头19大致位于该凹槽的中心。然而，如果可充电设备不具有这种具有圆柱形凹槽的接收件，则插座43的外部形状不需要是圆柱形的，并且可以具有某种其它设计或形状，例如，便于用户抓住电缆接头插座43以将插座耦合到电缆插头19或将插座43绕电缆插头19的轴线转动。

电缆插头19被配置为插入到电缆接头33的插座43的圆柱形凹槽中，关于图3进行了更多讨论。电缆插头19包括由合适塑料等绝缘体分隔的合适导电材料(例如金属)的两个充电接触垫片。可使用垫片和分离件的各种配置。在后面的示例中(图8)，适当外形的金属片形成插头的大部分，用作接触垫片。金属片之间的电绝缘分离件完成了插头的圆柱体。

然而，图2的示例利用了由塑料或另一种绝缘材料制成的接线柱45。接线柱45的形状通常是圆柱形。每个接触垫片47和49由金属等合适的导电材料形成。接触垫片47、49中的每一个的至少一些表面区域暴露，以用于可能通过电缆接头33的插座43的一个或多个插脚的电接触。如图2所示，接触垫片47、49被定位成在围绕电缆插头19接线柱45的圆柱形侧表面的不同位置处呈现暴露的接触表面。在图示的方向中，第一(1)充电接触垫片47安装在接线柱45的圆柱形侧面的左侧，第二(2)充电接触垫片49安装在接线柱45的圆柱形侧面的相对(右)侧。

形成接触垫片的金属可沉积在接线柱45的圆柱形侧面上，在这种情况下，接触垫片47、49可从接线柱45的圆柱形外侧面略微升高或向外延伸。可选地，形成接触垫片47、49的金属可以嵌入接线柱45的材料中，并且具有一定的厚度以形成插头19的光滑圆柱形侧表面。在另一可选示例中，形成接触垫片47、49中的一个或两个的金属可以充分地嵌入，以在插头19的圆柱形侧面中形成一个或多个轻微的凹陷。然而，在这些结构中的任一个中，垫片47、49的表面暴露以用于与电缆接头插座43中的插脚机械接触和电接触。

在图2的示例中，接线柱45的绝缘材料为接触垫片47、49提供结构支撑，并在接触垫片之间形成分隔件，以使接触垫片47、49彼此电绝缘或隔离。绝缘材料将插头结构的相对侧上的接触垫片的金属等分隔开(例如，在所示方向上横向跨过接线柱45的垂直轴)。示例插头结构具有接线柱45的绝缘材料的圆柱形外侧面上的暴露部分，位于接触垫片47、49的暴露表面的相邻端部之间。接线柱45圆柱形表面上的暴露部分51中的位于接触垫片47、49的端部之间的一个暴露部分在图示的方向上是可见的。类似的第二部分位于圆柱形接线柱45的相对(后)侧上，在附图中不可见。将接触垫片47、49表面的端部或边缘分开的塑料接线柱的这种区域(例如51)形成死区，在该死区中，由于不能接触电缆插头19的垫片，插座43的插脚可能不能完成电路。

然而，每个暴露的绝缘区域51可以相对较小，以最小化死区的尺寸。例如，区域51只要足够大到避免电流从一个接触垫片的端部穿过该区域流到其它接触垫片的相邻端部就可以。在另一示例中，区域51可略宽于电缆接头33的插脚的宽度(或插脚最大宽度)，使得电缆接头中的插脚不能同时接触两个接触垫片47、49。

图3是电缆接头的插座43的放大等距视图。从该透视图示出了插座43具有用于接收可充电设备电缆插头的圆柱形凹槽55。尽管可以使用其它形状，但是所示示例具有比电缆插头的圆柱形侧面稍大的圆柱形插座凹槽55，以便当插头插入/接收在插座凹槽55中时，电缆接头插座43相对于插头可自由旋转。

图3还示出了电缆接头的电源(Pwr.)和接地(Gnd.)插脚，用于接触可充电设备上电缆插头的垫片。如图所示，插座43包括两个电源插脚57a和57b以及两个接地插脚59a和59b。在该示例中，插脚位于围绕插座凹槽55的圆柱形内壁的四个等距位置处。电源插脚57a、57b突出到电缆接头的插座凹槽55中，并且接地插脚突出到电缆接头的插座凹槽55中。插脚充分突出以允许与电缆插头的垫片接触。虽然未示出，但是插脚可以是插座中的弹簧插脚或可变形插脚，以提供抵靠插头表面(包括接触垫片表面)的侧向力，插头被接收在插座凹槽中。

当电源插脚57a和接地插脚59a接触图2中的电缆插头19的接触垫片47、49时，电源插脚57a和接地插脚59a提供一条充电电流路径。类似地，当电源插脚57b和接地插脚59b接触电缆插头19的接触垫片47、49时，电源插脚57b和接地插脚59b提供另一条充电电流路径。具有如图2所示垫片的示例性布置和如图3所示的插脚，在插座43相对于电缆插头19的旋转位置处，插脚57b、59b接触形成死区的区域51，一对插脚57a、59a接触电缆插头19的接触垫片47、49。在插座43相对于电缆插头19的另一旋转位置，插脚57a、59a接触形成死区的区域51，另一对插脚57b、59b接触电缆插头19的接触垫片47、49。

在其他位置，一对插脚57a、59a和57b、59b同时接触电缆插头19的垫片47、49。当两对插脚都接触垫片时，一对插脚具有正确的极性，例如，电源插脚与用于在电缆插头上供电的接触垫片接触，接地插脚与用于在电缆插头上接地的接触垫片接触。图2和图3的示例性布置提供了经由电缆接头19的插座43的其中一个插脚对与电缆插头的接触垫片存在适当极性连接的高百分比可能性。对于其中两个插脚对同时接触电缆插头垫片的那些旋转位置，适当极性的插脚对接触垫片。对于接触死区的每个插脚对，存在相隔180度的两个旋转位置，其中相应的插脚对接触死区。在这两个位置中，另一个插脚对接触电缆插头的接触垫片，并且在这些死区位置的一个位置，另一个插脚对具有用于充电电流流动的适当极性对准。仅在每对一个死区位置，另一个插脚对具有错误的极性接触，从而防止充电电流流动。因此，在每个插脚对仅一个旋转位置，死区和极性错配阻止充电。然而，在这种罕见的情况下，小的旋转将使插脚离开死区，两对插脚都接触电缆插头的接触垫片，并且其中一对具有适当的极性以允许电流流动。

为了利用通过电缆接头中一对插脚的冗余充电电流路径，避免极性错配，电缆包括一个或多个电源路径开关，用于在各自不同的状态下，选择性地将不同的电源插脚连接到电源总线，并选择性地将不同的接地插脚连接到接地总线。电流传感器耦合到至少一条总线，以经由选定的电缆接头的一对插脚检测电流。电缆中的开关逻辑电路配置为控制一个或多个电源路径开关，以经由选定插脚对建立充电连接(将选定的一个电源插脚耦合到电源总线，将选定的一个接地插脚耦合到接地总线)。响应于电流传感器检测到经由所选择的电源插脚和接地插脚的电流流动，逻辑保持插脚到检测到电流流过的总线的开关连接。此方法的示例还检测可充电设备的电路对电流的脉冲调制。参照图4开始的附图说明该具体示例。

图4是电池供电的可充电设备11元件示例的功能块图，如图1所示，可充电设备11包括设备电路17和电缆插头19。该装置示例中的电缆插头19可以如上文相对于图2和图3所讨论的那样来实施，或者如后面相对于图8描述的那样实施。可充电设备11包括电缆插头19，电缆插头19包括一对充电接触垫片，例如，如图2或图8所示，例如作为电源接触垫片和接地接触垫片。电源接触垫片耦合到VBUS端口处电池充电器电路63的电源。

设备电路17包括电池61和耦合到电池61的电池充电器电路63。电池61的正极端子连接到电池充电器电路63，电池61的负极端子连接到可充电设备11的接地。为了方便起见，省略了可以从电池61获得电源完成设备一般功能(本文所考虑的充电功能除外)的设备电子产品。这里讨论的充电电缆和充电技术可以应用于多种便携式或可穿戴设备中的任何一种，所述便携式或可穿戴设备利用可充电电池为特定电子组件供电或充当电池组来向其它设备供电。

设备电路17包括开关65，其被耦合以从电池充电器电路63消耗电流。例如，基于电池61的类型和尺寸，可以使用各种已知电路来实现电池充电器。控制开关65以使特定类型的电池充电器电路63将脉冲调制添加到通过由电缆插头19和电缆接头33形成的充电路径的电流。可使用配置为切换合适电流量的任何开关设备，例如各种开关晶体管中的任何一种。例如附图示出了场效应晶体管(FET)作为开关65。可以利用与电池充电器63的各种开关连接以及可能的各种中间或相关的电路元件。在该示例中，开关65经由电阻器R1和电感器LI的串联连接而连接到电池充电器电路63的开关(SW)端口。还提供了从电感器LI和电阻器R1之间的连接点到电池充电器电路63的系统电压端口(VSYS)的路径。该示例中的开关65从电阻器R1串联连接到可充电设备的接地。

当开关65处于打开状态时，电池充电器电路63消耗电流为电池61充电。当开关65处于其闭合状态时，通过开关65流到接地的电流使得电池充电器电路63通过由电缆插头19和电缆接头33形成的充电路径消耗额外的电流量。如稍后所讨论的，在开关65的打开和闭合状态之间来回切换产生脉冲，并使电池充电器电路63将相应的脉冲叠加在通过由电缆插头19和电缆接头33形成的充电路径的电流上。产生的脉冲可由电缆电路检测到。

设备电路17还包括设备控制器。虽然可以使用其他控制器实施，但是示例设备使用的是微控制单元(MCU)67。MCU通常是片上系统(SoC)，其包括处理器、存储器、外围输入/输出(I/O)接口和端口以及可能的其它电路组件。例如，单个SoC可以包括电池充电器电路以及形成MCU的电路。为了本讨论的目的，MCU 67控制与电池充电相关的功能，尽管MCU可以根据特定电子设备11的设备类型或应用来执行相对于设备11的其他功能。然而，应该很明显，可以使用其他控制器实施。MCU 67的功能由安装在MCU存储器中的可执行程序指令或配置数据(例如作为固件)来确定。

在该示例的可充电设备11中，形成设备控制器的MCU 67响应于来自电缆插头19的电源，并且被配置为操作开关65，以使充电器电路63对通过电缆插头19的电流进行脉冲调制，作为电缆接头中的插脚与电缆插头19的电源和接地接触垫片接触到充电电缆15的电路31的指示(见图1)。

电池充电器电路63，或MCU 67对该电路63的控制，配置设备电路17，以实施在一段时间内对电池61充电的调节电流曲线。图5为图1和图4的示例可充电设备11电池充电的示例电流消耗的曲线图。仅以示例的方式给出曲线图各个阶段的电流水平。设备11可实施不同电流水平或具有不同阶段的曲线图，例如以解决在特定可充电设备11中使用的特定类型电池61的充电要求。参照图5的示例，当设备11通过电缆插头19耦合到充电路径时，经调节的电流流动实现图5曲线图的若干状态。在初始状态下，电池充电电路63消耗大约100毫安用于预充电或涓流充电电流。在稍后的时间，例如当满足MCU操作或电池充电的特定条件时，电池充电电路63消耗大约500毫安的恒定充电电流，用于电池61的快速全功率充电。在稍后的时间，例如当电池达到充电百分比的特定阈值时，电池充电电路63消耗电流以向电池施加恒定电压。在该第三状态下，当电压保持恒定时，电流缓慢下降直到电池被完全充电，并且设备11在最小电流水平达到充电结束(EOC)状态。

如上所述，可以使用各种技术(例如接近感测)来检测插入电缆接头的插头的存在，或者可以使用各种技术来检测通过电缆接头插脚和电缆插头接触垫片的充电电流的连接。下面讨论的示例利用对通过由电缆接头的插脚和电缆插头的接触垫片形成的充电电路的电流的感测。图5还示出了用于响应于电流感测来控制路径切换的电流检测阈值(I_detect)。如稍后所讨论的，充电电缆电路31(图1)通过电缆接头和电缆插头检测连接路径上的电流。感测在I_detect阈值处或高于I_detect阈值的连接路径上的电流流动用作电缆15和可充电设备11经由电缆接头33和电缆插头19的连接的指示。尽管可以使用其他阈值，但是该示例示出了大约60毫安的电流检测阈值(I_detect)。利用图5所示的示例曲线图和I_detect，在预充电或涓流状态、恒流状态和大部分恒压状态下，通过电缆接头和电缆插头的充电路径的电流消耗超过I_detect阈值。

当电池在恒压状态下后期接近充满电时，通过电缆接头和电缆插头的充电路径的电流消耗低于电缆用于连接检测的I_detect值。而且，充电结束(EOC)状态下的电流消耗低于电缆用于连接检测的I_detect值。图4的示例设备电路11引入脉冲调制以缓解电缆电路的潜在故障，从而在图5的充电电流曲线图中的这些稍后情形中检测连接。

当电池完成充电，在所示曲线图的EOC状态下，仍然需要感测电流，向电缆电路指示可充电设备仍处于电连接状态。可以使用多种技术来帮助这种检测。例如，可充电设备可配置为消耗低水平电流流动足以触发I_detect阈值。如果使用具有足够低的阈值的电流传感器，则任何电流流动都可以工作。例如，可充电设备的闲置系统电流消耗自身可足以依据可充电设备的类型、配置或应用而触发阈值。

为了在低电流状态下实现更低的功耗，下面讨论的示例系统在电流消耗中添加脉冲调制。在可充电设备的电流消耗可能以其它方式下降到I_detect阈值以下的情况下，调制电流的周期性峰值满足或超过I_detect阈值。图6是类似于图5的可充电设备示例电流消耗的曲线图，还示出了电流的这种脉冲调制。

如上文相对于图4所述，MCU 67操作开关65以对通过电缆插头19的电流进行脉冲调制。图6的电流曲线图示出了通过开关65的打开和闭合而叠加在电流流动上的调制脉冲，至少在电流流动的水平以其它方式下降到低于I_detect阈值水平的状态下。调制电流的脉冲峰值上升到等于或高于I_detect阈值水平的水平。基于电缆电路31的适当定时，电缆15能够感测周期性超过I_detect阈值水平的电流脉冲峰值，作为电缆接头33的当前连接插脚与电缆插头19的电源和接地接触垫片接触的指示，该接触足以建立与可充电设备11电池充电器电路63的充电路径。

图7是充电电缆15示例的功能块图。连接到USB类型电源的接线(见图1)包括如图7中的VBUS所示的电源总线27，用于USB兼容电缆。连接到USB类型电源的接线还包括接地总线29。

本示例的电缆电路31包括保护电路71，它提供过电压保护(OVP)或过电流保护(OCP)之一或两者。来自保护电路71的电源通过电流传感器73流到电源路径开关硬件75。图7和图8中示出的示例包括两对电源和接地插脚，示为一对包括电源插脚57a和接地插脚59a，另一对包括电源插脚57a和接地插脚59a。

图7的电源路径开关硬件75包括选择性地耦合在插脚和总线之间(通过传感器73和保护电路71)的一个或多个电源路径开关。在图8的更具体示例中，电源路径开关硬件75被示于两个部分77p、77g中，这两个部分一起包括四个开关81-84，一个用于电缆接头的每个插脚。对于每个开关81-84，可以使用被配置为切换适当电流量的任何开关设备，例如各种开关晶体管中的任何一个。例如，附图示出了作为每个开关81-84的场效应晶体管(FET)。

电源路径开关硬件部分77p连接到电源总线27，并且包括分别连接到电源插脚57a、57b的开关81和83。电源路径开关硬件部分77g连接到接地总线29，并且包括分别连接到电源插脚57a、57b的开关82和84。开关81、82的选择性操作将第一对的插脚57a、59a连接到电源总线27和接地总线29并将其从电源总线27和接地总线29断开。开关83、84的选择性操作将第二对的插脚57b、59b连接到电源总线27和接地总线29并将其从电源总线27和接地总线29断开。插脚57a、57b形成第一对，用于接触电缆插头的垫片。插脚57b、57b形成第一对，用于接触电缆插头的垫片

在所示的相对旋转位置，电源插脚57a接触电源垫片85，接地插脚59a接触接地垫片87。在这些位置，第一对插脚57a、59a和垫片85、87形成适当电流流动极性的充电路径。一对插脚57b、59b接触垫片，但极性相反，电源插脚57a接触接地垫片87，接地插脚59b接触电源垫片。当开关81、82将插脚57a、59a连接到总线时，连接建立用于电流流过电缆接头和电缆插头的充电路径。在该切换状态下，开关83、84断开插脚57b、59b，从而禁用相反极性配置。

图8还示出了插入到电缆接头中并与电缆接头的各个插脚57a、57b、57a、57b接触的可充电设备的电缆插头19a的替代实施方式。在所示示例中，电缆插头19a包括两个具有适当外形的金属片，其形成插头的大部分，用作电源接触垫片85和接地接触垫片89。附图中的电缆插头19a具有在金属件之间的电绝缘分隔件，该分隔件完成了插头的圆柱体，并且该绝缘分隔件相对于电缆接头的插脚和电缆插头19a的垫片之间的电流流动形成死区89。

本示例中的电缆电路31包括逻辑电路77(图7)。逻辑电路可使用类似于在可充电设备示例中用作充电控制器MCU的另一MCU来实施。后面关于图9讨论的逻辑电路的具体示例代替使用特定的逻辑组件，例如，考虑到适用于充电电缆15的尺寸和成本限制。

开关逻辑电路77从电流传感器73接收信号(I-SENSE)，该信号是电压值，表示流经传感器并因此流经电源路径开关硬件75和电缆接头33的所感测电流的瞬时大小。在该示例中，开关逻辑电路77响应于由来自电流传感器73的信号(I-SENSE)指示的检测到的电流，并且向电源路径开关硬件75输出选择信号EN1和EN2。在一种状态下，选择信号使电源路径开关硬件75的一个或多个开关选择性地将第一对插脚57a、59a连接到电源和接地总线。而在另一种状态下，选择信号使得电源路径开关硬件75的一个或多个开关选择性地将第二对插脚57a、59a连接到电源和接地总线。

在图7和图8的示例中，EN1和EN2控制信号具有相反的状态，当另一个信号为低时一个信号为高，反之亦然。开关81-84使用两种不同类型的FET来反向响应其相应输入的状态。例如，FET开关81和83可以响应高输入而闭合，并且响应低输入而打开。在这样的示例中，FET开关82和84可以响应低输入而闭合，并且响应高输入而打开。FET开关81和83响应EN2控制信号的状态而打开和闭合。

在这种布置中，EN1的高值会闭合开关81，将电源插脚57a连接到电源总线27，并打开开关84，将接地插脚59a与接地总线29断开。同时，相反的EN2低值打开开关83以将电源插脚57b与电源总线27断开，并闭合开关82以将接地插脚59a连接到接地总线29。在该状态下，一对插脚57a、59a连接到总线27、29，一对插脚57b、59b断开。在EN1、EN2信号的交替状态下，EN1的低值打开开关81以将电源插脚57a与电源总线27断开，并闭合开关84以将接地插脚59a连接到接地总线29。同时，相反地EN2高值闭合开关83以将电源插脚57b连接到电源总线27，并打开开关82以将接地插脚59a与接地总线29断开。在该状态下，一对插脚57b、59b连接到总线27、29，并且一对插脚57a、59a断开。

在每种状态下，电源路径开关硬件75将电源插脚中的相应一个(57a或57b)连接到电源总线27，并将接地插脚中的相应一个(59a或59b)连接到接地总线25。两条充电路径及其开关在此实例中是互补的，因为仅一对电源插脚和接地插脚连接到电源总线和接地总线以便允许电流在每种状态下流动。在高水平时，开关逻辑电路77被配置为经由所选对的电源和接地插脚保持连接(分别连接到电源总线和接地总线)，以便为流经可充电设备的电缆接头和电缆插头的电流提供充电路径，响应由电流传感器检测到的经由选定的一对电源和接地插脚的电流流动(I_SENSE)。

在示例中，开关逻辑电路77被配置为操作电源路径开关81-84，以在电流传感器的电流检测低于阈值I_detect时，交替地将相应的一对电源和接地插脚连接到电源和接地总线。换句话说，开关逻辑电路77将检测的电流流动值I_SENSE低于阈值I_detect的条件视为还没有建立可行的充电电流流动路径的指示。电缆插头可能还没有插入到电缆接头的插座中，已经将一对插脚切换连接到当前搁置在形成死区89的绝缘分隔件的暴露区域上的总线，或者已经将一对插脚切换连接到当前以相反极性顺序接触垫片的总线(电源插脚到接地垫片和接地插脚到电源垫片)。

在示例中，开关逻辑电路77还被配置为通过维持经由选定电源插脚到电源总线的连接和经由选定接地插脚到接地总线的连接(无需其他替代连接)来建立充电路径。开关逻辑电路77响应检测到通过包括一个电源插脚和一个接地插脚的一对插脚的等于阈值或高于阈值的电流而停止切换并维持充电路径的连接。检测到的电流流动值I_SENSE等于或高于阈值I_detect的情况说明电缆插头被插入到电缆接头的插座中，已经将一对插脚切换连接到当前搁置在电缆插头的两个接触垫片上的总线，并且已经将一对插脚切换连接到当前以用于直流充电流动的适当极性顺序接触垫片的总线(电源插脚到电源垫片和接地插脚到接地垫片)。

图9示出了用于实施由上述充电路径连接逻辑实施的插脚连接电流检测的电流响应切换和开关的逻辑电路布置示例。示例开关逻辑电路77包括比较器87。与所感测的电流成比例的来自电流传感器的电压I_SENSE耦合到比较器87的负输入。对应于I_detect电流阈值的适当值的电压参考I_DETECT耦合到比较器87的正输入。利用附图示例性示出的正输入和负输入的连接，当电压I-SENSE低于(小于)参考电压I_DETECT时，比较器87提供相对较高的输出电压，当电压I_SENSE等于或高于(大于或等于)参考电压I_DETECT时，比较器87提供相对较高的输出电压。

示例开关逻辑电路77包括计数器89，它响应比较器87的输出和时钟(C1k)。当从比较器87到计数器89的输入为高时(在此情况下，当由电压I_SENSE指示的电流低于对应于电流阈值的参考电压I_DETECT时)，计数器89将周期性地输出脉冲(每次时钟脉冲的计数达到对应于时间间隔t_FET的计数值)，这表明不存在通过电缆接头当前连接的一对电源和接地插脚连接的可行的电流充电路径。

示例开关逻辑电路77包括切换电路91，该切换电路91被配置为响应对从计数器89输出的周期性脉冲的上升沿的周期性检测，而在高输出状态和低输出状态之间切换。因此，响应来自计数器89的输出的连续周期性脉冲的上升沿，切换电路91的输出在高输出状态和低输出状态之间来回切换。而由电压I_SENSE指示的电流低于对应电流阈值的参考电压I_DETECT，其表明不存在通过电缆接头当前连接的一对电源和接地插脚连接的可行电流充电路径。

示例开关逻辑电路77还包括响应切换电路91状态的延迟和滤波电路93。延迟和滤波电路93将EN1控制信号输出到图8所示的电源路径开关81和84。作为延迟功能的结果，用于改变电源路径开关81和84状态的EN1控制信号变高或变低的每次转变以预先确定的延迟间隔跟随切换电路91输出的相应高或低转变。滤波器功能用于清除来自EN1信号的任何瞬变。

当EN1为高时，EN2为低。当EN1为低时，EN2为高。如前所述，在EN1为高而EN2为低的状态下，开关81、82将插脚57a、59a连接到总线27、29，开关83、84将插脚57b、59b断开。相反，当EN1为低，EN2为高时，开关81、82连接插脚57a、59a，开关83、84将插脚57b、59b连接到总线27、29。

只要I_SENSE电压低于参考电压I_DETECT，状态之间的切换就会持续重复，表明流向可充电设备的电流低于I_detect电流值的时间超过计数器89的时间间隔t_FET。首先将一对插脚连接到电源总线和接地总线，然后将另一对插脚连接到电源总线和接地总线，以此类推。

在所示的开关逻辑电路77的示例布置中，当电压I_SENSE达到参考电压I_DETECT时，比较器87的输出变低，只要电压I_SENSE保持在参考电压I_DETECT或高于参考电压I_DETECT的水平，比较器87的输出就保持在低。在此期间，计数器89停止计数，并且不向切换电路91输出任何新的脉冲。切换电路停止切换并保持在其最后的输出状态(高或低)。

更具体地说，EN1和EN2开关控制信号转换的延迟使开关81-84在一段时间内保持在各自状态下，以便在充电电路开始消耗充电电流时，电流流动发生转换。当电流开始流动时，例如在预充电或涓流充电状态下，电流满足或超过I_detect电流阈值。传感器输出电压I_SENSE于是将超过对应电流阈值的电压参考I_DETECT值。当比较器87改变状态时，其输出变低，使计数器停止。作为响应，切换电路91停止切换并保持其导致成功电流检测的最后高或低状态。例如，如果切换输出为高，则切换电路91继续输出高电压，EN1保持高，EN2保持低。开关保持插脚57a、59a与总线的连接，并且开关保持插脚57b、59b。充电电流流过包括插脚57a、59a和电缆插头的接触垫片的路径。如果切换输出为低，则切换电路91继续输出低电压，EN1保持低，EN2保持高。开关保持插脚57b、59b与总线的连接，并且开关保持插脚57a、59a断开。充电电流流过包括插脚57b、59b和电缆插头的接触垫片的路径。

图10至图13示出了在类似于图1系统11的系统的若干不同状态下随时间所感测电流的示例。图10示出了当电池充电器已经到达充电结束(EOC)低电流状态时(也参见图6)电流流动的脉冲，包括来自可充电设备的电流调制脉冲。6)。设备电路(图4)被配置为生成足够大小的调制脉冲，使得电流高于I_detect阈值，因此I_SENSE输出电压的峰值超过比较器87使用的I_DETECT参考电压，当电缆电路感测到峰值电流水平超过调制脉冲的I_detect时，导致从比较器到计数器的输入的周期性低输出。来自比较器87的每个低检测脉冲使计数器89复位。当调制脉冲为高时的时间间隔被称为t_high，而当调制脉冲为低时的周期被称为t_low。计数器89周期性地发出脉冲的时间周期(t_FET)大于电流调制保持低的时间长度(t_low)，从而如果在t_FET截止之前再次检测到脉冲，则计数器89不输出任何脉冲来激活切换电路91，作为电缆接头33和电缆插头19仍耦合在一起且当前连接的一对插脚经由插头接触垫片提供适当极性的充电路径的指示。

图11与图10相似，除了初始连接的一对插脚落在禁用连接的电流路径的死区上。因此，在检测到脉冲之后的某一点，来自比较器的电压在较长的时段内保持高，并且计数器87的时段t_FET到期。由计数器89的超时产生的脉冲激活切换电路91，其导致各种开关的切换以经由另一对插脚切换到另一电流路径。当新连接的一对交替插脚正确连接到电缆插头的垫片时，电流可以流到电池充电器电路63。MCU致使可充电设备电路恢复开关65的周期性激活以脉冲调制电流流动，在切换到交替电流路径之后的间隔t_resume_pulse之后开始。在间隔t_resume_pulse期间电流流动提供足够的电流以至少激活MCU以恢复脉冲。现在在交替状态下，充电电缆15的电路31检测随后的调制脉冲，如图10的示例。在该示例中，计数器的时间间隔t_FET大于可充电设备恢复脉冲调制的时间间隔t_resume_pulse(t_FET>t_resume_pulse)。

如图12所示，在正常充电状态下，电流连续超过电流检测阈值I_detect。在这种状态下，充电电流本身对于电缆电路的比较器的感测是足够的。来自比较器的电压保持高，计数器不对时钟脉冲计数，没有脉冲来触发切换电路，并且逻辑和路径开关硬件保持电缆接头的插脚的连接，该连接为充电电流流向电池充电器电路提供适当极性的充电路径。

图13示出状态的改变，例如，如果用户旋转耦合到电缆插头的充电电缆接接头。当一对连接的插脚落在死区上时，电流下降到用于充电电流检测的阈值I_detect以下。来自比较器的电压在路径中断时间之后的较长时段内保持高，并且计数器89的时间周期t_FET到期。由计数器89的超时产生的脉冲激活切换电路91，其导致各种开关切换以经由另一组插脚切换到另一电流路径。当新连接的一对交替插脚正确连接到电缆插头的垫片时，电流可以流到电池充电器电路63。MCU致使可充电设备电路恢复开关65的周期性激活以脉冲调制电流流动，在切换到交替电流路径后的间隔t_resume_pulse之后开始。在间隔t_resume_pulse期间的电流流动提供足够的电流以至少激活MCU以恢复脉冲。现在在交替状态下，充电电缆15的电路31检测随后的调制脉冲，如图10的示例。在该示例中，计数器的时间间隔t_FET大于可充电设备恢复脉冲调制的时间间隔t_resume_pulse(t_FET>t_resume_pulse)。

图14总结了相对于计数器的时间间隔t_FET的定时条件示例。

应当理解，除了在本文中另外阐述的特定含义之外，本文使用的术语和表达具有与这些术语和表达相对于它们相应的各自研究领域一致的普通含义。例如第一和第二等关系术语可以仅用于区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不必要求或暗示这些实体或动作之间任何实际的这种关系或顺序。术语“包括”、“包含”或其任何其他变体旨在涵盖非排他性包含，使得包括或包含元件或步骤列表的过程、方法、制品或设备不仅包括那些元件或步骤，而且可以包括未明确列出或对这种过程、方法、制品或设备固有的其它元件或步骤。前面有“一”或“一个”的元件，在没有进一步限制的情况下，不排除在包含该元件的过程、方法、制品或设备中存在附加的相同元件。

除非另有说明，在本说明书(包括所附权利要求书)中提出的任何和所有测量值、值、额定值、位置、大小、尺寸和其它规格都是近似的、不精确的。这样的量旨在具有合理的范围，该范围与它们所涉及的功能以及它们所涉及的本领域中的惯例一致。例如，除非另有明确说明，否则参数值等可能与规定的数量相差±10％。

尽管已经参考特定示例性实施例说明了概述，但是在不脱离本公开实施例的更广泛范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和改变。这些实施例可在本文中单独地或共同地由术语“发明”指代，仅为方便起见，且无意自愿将本申请的范围限制于任何单一公开或发明构思，即使实际上公开的多于一个。

将本文中的实施例进行充分详细地说明以使本领域技术人员能够实施所公开的教导。可以使用其他实施例并从本文中的实施例派生出其他实施例，从而可以在不脱离本公开的范围的情况下进行结构和合理的替换和改变。因此，详细说明不应被理解为具有限制意义，并且各种实施例的范围仅由所附权利要求书以及这些权利要求书所授权的等同的全部范围来限定。

Claims (9)

1.一种系统，包括：

可充电设备，包括：

电池；

耦合到所述电池的电池充电器电路；以及

电缆插头，其包括耦合到所述可充电设备的所述电池充电器电路电源的第一和第二充电接触垫片，以及电分隔所述第一和第二充电接触垫片的绝缘体；

充电电缆，包括：

电源总线；

接地总线；

具有凹槽的电缆接头，被配置为当所述电缆接头可旋转地耦合到所述可充电设备的所述电缆插头时接收所述电缆插头；

突入所述电缆接头所述凹槽内的电源插脚；

突入所述电缆接头所述凹槽内的接地插脚；

在所述插脚和所述总线之间耦合的一个或多个电源路径开关；以及

开关逻辑电路，其配置为控制所述一个或多个电源路径开关以在相应不同状态下将所述电源插脚中的不同插脚选择性地连接到所述电源总线，且将所述接地插脚中的不同插脚选择性地连接到所述接地总线。

2.如权利要求1所述的系统，进一步包括：

电流传感器，其耦合到所述总线中的至少一条总线以在通过所述一个或多个电源路径开关连接到所述总线时通过所述电缆接头的所述选定插脚对检测电流；

其中所述开关逻辑电路耦合到所述电流传感器且进一步配置为维持经由所述电源插脚中的选定一个插脚到所述电源总线的连接，以及维持经由所述接地插脚中的选定一个插脚到所述接地总线的连接，以建立用于电流流过所述电缆接头、所述电缆插头和所述可充电设备的所述充电电路的充电路径，响应所述电流传感器检测到经由所述选定的电源和接地插脚的电流流动。

3.如权利要求2所述的系统，其中：

当所述电流传感器的电流检测低于阈值时，所述开关逻辑电路进一步配置为操作所述一个或多个电源路径开关以交替地将相应的电源和接地插脚对连接到所述电源和接地总线；以及

响应检测到通过包括所述一个电源插脚和所述一个接地插脚的一对插脚的等于或高于所述阈值的电流，所述开关逻辑电路通过保持经由所述选定的电源插脚到所述电源总线的所述连接和经由所述选定的接地插脚到所述接地总线的所述连接，来建立所述充电路径，而没有进一步替换的连接。

4.如权利要求3所述的系统，其中：

所述可充电设备还包括：

开关，其耦合到来自所述电池充电器的消耗电流；以及

设备控制器，其至少在电流流动低于所述阈值时，响应来自所述电缆插头的电源而操作耦合到所述电池充电器的所述开关以脉冲调制通过所述电缆插头的电流；以及在所述充电电缆中：

所述电流传感器配置为检测超过所述阈值且经由所述电缆接头的插脚通过所述电缆插头的电流的脉冲调制；以及

所述开关逻辑电路还配置为响应所述电流传感器对调制脉冲的检测，以仍然保持所述选定的电源插脚与所述电源总线以及所述选定的接地插脚与所述接地总线的连接。

5.一种充电电缆，包括：

电源总线；

接地总线；

具有凹槽的电缆接头，配置为当所述电缆接头可旋转地耦合到所述电缆插头时接受可充电设备的电缆插头；

突入所述电缆接头所述凹槽的电源插脚；

突入所述电缆接头所述凹槽的接地插脚；

一个或多个电源路径开关，以在相应不同状态下将所述电源插脚中不同的一个插脚选择性地连接到所述电源总线，且将所述接地插脚中不同的一个插脚选择性地连接到所述接地总线；以及

开关逻辑电路，配置为控制所述一个或多个电源路径开关以在相应不同状态下将所述电源插脚中不同的一个插脚选择性地连接到所述电源总线，且将所述接地插脚中不同的一个插脚选择性地连接到所述接地总线。

6.如权利要求5所述的充电电缆，还包括：

电流传感器，其耦合到所述总线中的至少一条总线以在通过所述一个或多个电源路径开关连接到所述总线时经由所述电缆接头的选定所述插脚对检测电流；

其中所述开关逻辑电路耦合到所述电流传感器且进一步经配置为维持经由所述电源插脚中的选定一个插脚到所述电源总线的连接，以及维持经由所述接地插脚中的选定一个插脚到所述接地总线的连接，以建立用于电流流过所述电缆接头和所述可充电设备的充电路径，响应所述电流传感器检测到经由所述选定的电源和接地插脚的电流流动。

7.如权利要求6所述的充电电缆，其中：

所述开关逻辑电路还配置为在所述电流传感器的电流检测低于阈值时操作所述一个或多个电源路径开关以交替地将相应的电源对和接地插脚连接到所述电源和接地总线；以及

响应检测到通过包括所述一个电源插脚和所述一个接地插脚的一对插脚的等于或高于所述阈值的电流，所述开关逻辑电路通过保持经由所述选定的电源插脚到所述电源总线的所述连接和经由所述选定的接地插脚到所述接地总线的所述连接，来建立所述充电路径，而没有进一步替换的连接。

8.如权利要求7所述的充电电缆，其中：

所述电流传感器配置为检测超过所述阈值且经由所述电缆接头的插脚通过所述电缆插头流到所述可充电设备或从所述可充电设备流出的电流的脉冲调制；以及

所述开关逻辑电路还配置为响应所述电流传感器对调制脉冲的检测，以仍然保持所述选定的电源插脚与所述电源总线以及所述选定的接地插脚与所述接地总线的连接。

9.一种可充电设备，包括：

电池；

耦合到所述电池的电池充电器电路；

电缆插头，其包括耦合到向所述电池充电器电路供应电流的第一和第二充电接触垫片，以及电分隔所述第一和第二充电接触垫片的绝缘体；

开关，其耦合到来自所述电池充电器的消耗电流；以及

设备控制器，其响应来自所述电缆插头的电源而配置为操作所述开关以脉冲调制通过所述电缆插头的所述电流，作为所述电缆接头中的插脚与所述电缆插头的所述第一和第二充电接触垫片接触到充电电缆的电路的指示。

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