DE102015113447A1

DE102015113447A1 - Leistungsversorgung für elektronisches Gerät

Info

Publication number: DE102015113447A1
Application number: DE102015113447.0A
Authority: DE
Inventors: Tue Fatt David Wee; Wee Tar Richard Ng; Tse Siang Gary Lim; Zan Wang; Chiow Wu Teo
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2015-08-14
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2017-02-16

Abstract

Hier wird eine Schaltungsanordnung zur Stromversorgung beschrieben, die im Betrieb mit einem elektronischen Gerät über ein Buskabel verbunden ist. Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung weist die Schaltungsanordnung eine Stromversorgungsschaltung auf, die dazu ausgebildet ist, eine Ausgangsspannung einem ersten Ende einer ersten Busleitung des Buskabels zuzuführen, um das elektronische Gerät über die erste Busleitung zu versorgen. Eine Kommunikationsschnittstelle der Stromversorgungsschaltung ist dazu ausgebildet, mit dem elektronischen Gerät über die erste Busleitung oder über zumindest eine zweite Busleitung des Buskabels zu kommunizieren. Die Stromversorgungsschaltung weist eine Sensorschaltung, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen physikalischen Parameter der Schaltungsanordnung zu erfassen, sowie eine Steuerschaltung auf, die mit der Sensorschaltung gekoppelt und dazu ausgebildet ist, Informationen basierend auf einem physikalischen Parameter an das elektronische Gerät zu übermitteln.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet der Stromversorgungsadapter (power supply adapters) für elektronische Geräte. Insbesondere betrifft die Erfindung AC/DC- oder DC/DC-Adapter, die dazu verwendet werden können, um mobilen Geräten elektrische Leistung zu liefern und Batterien mobiler Geräte wie z.B. Mobiltelefone, Tablet-Computer, Laptops, etc. zu laden.
HINTERGRUND
Heutzutage erhalten viele elektronische Geräte den Strom, der für den Betrieb des Geräts oder zum Laden einer im Gerät enthaltenen Batterie nötig ist, über ein Universal Serial Bus (USB) Kabel oder ein Buskabel eines anderen Bussystems. Für deisen Zweck wurden Standards entwickelt wie z.B. die USB-Batterieladespezifikation (USB battery charging specification) rev. 1.2 (USB-BC 1.2) oder die USB Leistungslieferungsspezifikation (USB power delivery specification) rev. 2.0 (USB-PD 2.0). Andere Beispiele sind Qualcomm Quick Charge 2.0 und MediaTek Pump Express. Stromversorgungsadapter sind dafür ausgelegt, von einer primären Leistungsquelle bereitgestellte Leistung (z.B. das Stromnetz oder eine 12 V Autobatterie) in eine Gleichspannung (DC voltage) umzuwandeln, die für das angeschlossene elektronische Geräte (z.B. ein Mobiltelefon, ein Tablet-Computer, ein portabler Media-Player, ein Monitor, etc.) geeignet ist. Der Adapter kann daher als sekundäre Leistungsquelle für das angeschlossene Gerät angesehen werden.
Abhängig von dem vom Stromversorgungsadapter und dem angeschlossenen elektronischen Gerät verwendeten Standard kann das elektronische Gerät mit dem Adapter über das Buskabel (z.B. eine in dem Buskabel enthaltene Busleitung) kommunizieren, um die vom Stromversorgungsadapter gelieferte Spannung einzustellen. Obwohl die neuen Standards wie USB-PD als signifikante Verbesserung betrachtet werden können, ist dennoch Raum für Weiterentwicklungen zur Verbesserung der Sicherheit und der Regelung der vom Adapter bereitgestellten Spannung.
ZUSAMMENFASSUNG
Hier wird eine Schaltungsanordnung zur Stromversorgung beschrieben, die im Betrieb mit einem elektronischen Gerät über ein Buskabel verbunden ist. Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung weist die Schaltungsanordnung eine Stromversorgungsschaltung (power supply circuit) auf, die dazu ausgebildet ist, eine Ausgangsspannung einem ersten Ende einer ersten Busleitung des Buskabels zuzuführen, um das elektronische Gerät über die erste Busleitung zu versorgen. Eine Kommunikationsschnittstelle der Stromversorgungsschaltung ist dazu ausgebildet, mit dem elektronischen Gerät über die erste Busleitung oder über zumindest eine zweite Busleitung des Buskabels zu kommunizieren. Die Stromversorgungsschaltung weist eine Sensorschaltung, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen physikalischen Parameter der Schaltungsanordnung zu erfassen, sowie eine Steuerschaltung auf, die mit der Sensorschaltung gekoppelt und dazu ausgebildet ist, Informationen basierend auf einem physikalischen Parameter an das elektronische Gerät zu übermitteln.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Versorgung eines elektronischen Geräts mit Strom (power) mittels eines Stromversorgungsadapters beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren das Bereitstellen einer Ausgangsspannung an einem Versorgungsausgang (supply output) des Stromversorgungsadapters, wobei der Versorgungsausgang des Stromversorgungsadapters über eine Versorgungsleitung mit einem Versorgungseingang (supply input) des elektronischen Geräts verbunden ist. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Erfassen (sensing) einer Temperatur in dem Adapter und das Übertragen von Informationen über die erfasste Temperatur durch den Adapter und an das elektronische Gerät. Die Informationen über die erfasste Temperatur wird dann durch das elektronische Gerät verarbeitet.
Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren das Bereitstellen einer Ausgangsspannung an einem Versorgungsausgang des Stromversorgungsadapters, wobei der Versorgungsausgang des Stromversorgungsadapters über eine Versorgungsleitung mit einem Versorgungseingang des elektronischen Geräts verbunden ist. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Erfassen (sensing) einer Versorgungsspannung an dem Versorgungseingang des elektronischen Geräts und das Übertragen von Informationen über die Versorgungsspannung durch das elektronische Gerät und an den Stromversorgungsadapter. Die Informationen über die Versorgungsspannung wird dann durch den Stromversorgungsadapter verarbeitet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZECIHNUNGEN
Die Erfindung lässt sich mit Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und Abbildungen besser verstehen. Die in den Figuren dargestellten Komponenten sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. Des Weiteren bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen korrespondierende Teile. Zu den Abbildungen:
1 illustriert einen allgemeinen (generic) Stromversorgungsadapter, der mit einem portablen gerät über ein Buskabel verbunden ist.
2 illustriert einen Stromversorgungsadapter mit einer USB-Schnittstelle, die mit einem portablen Gerät über USB Typ A oder Typ B Kabel und Steckverbinder (connector) verbunden ist.
3 illustriert einen Stromversorgungsadapter mit einer USB-Schnittstelle, die mit einem portablen Gerät über USB Typ C Kabel und Steckverbinder verbunden ist, das eine zusätzliche Konfigurationskanal-(Configuration Channel, CC)Signalleitung enthält.
4 illustriert eine exemplarische Implementierung der allgemeinen Beispiele aus 1, 2 und 3.
5 ist ein Diagramm einer exemplarischen Kennlinie, welche das vom Adapter für den Überstromschutz verwendete Stromlimit in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur illustriert.
6 ist ein Blockdiagramm einer exemplarischen Implementierung einer Regelschleife, welche zur Kompensation der Auswirkung des Leitungswiderstandes des Buskabels verwendet werden kann.
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel der Interaktion zwischen Stromversorgungsadapter und portablem elektronischen Gerät zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die unten beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispiele betreffen einen Stromversorgungsadapter, der mit einem portablen Gerät verbunden ist, um dessen interne Batterie zu laden. Es sei jedoch angemerkt, dass die vorliegende Beschreibung nicht auf portable Geräte oder Batterieladeanwendungen begrenzt ist. Ein Stromversorgungsadapter gemäß der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele kann auch zur Stromversorgung von Geräten verwendet werden, die üblicherweise nicht batteriebetrieben sind und nicht als portable angesehen werden wie z.B. LCD-Bildschirme, Fernseher, Drucker, Scanner, Webcams oder beliebige andere elektronische Geräte.
Gegenwärtig ermöglichen Stromversorgungsadapter dem angeschlossenen elektronischen Gerät (z.B. ein Mobiltelefon) die Kommunikation mit dem Stromversorgungsadapter, um den Adapter dazu zu veranlassen, eine gewünschte Ausgangsspannung zu erzeugen. Abhängig vom Standard kann das elektronische Gerät aus einer definierten Anzahl unterschiedlicher Versorgungsspannungen wählen, z.B. 5V, 12V und 20V im Falle des USB-PD-Standards. Jedoch ermöglichen es gegenwärtige Lösungen im Allgemeinen dem Adapter nicht, Informationen an das elektronische Gerät zu senden. Es wäre jedoch wünschenswert, das elektronische Gerät in die Lage zu versetzen, die Leistungsaufnahme flexibler anzupassen und dem Benutzer Information über den Stromversorgungsadapter und das Buskabel, das den Stromversorgungsadapter mit dem elektronischen Gerät verbindet, (z.B. Information über einen kritischen Zustand oder einen Fehler) zukommen zu lassen.
Zwei Beispiele des allgemeinen Aufbaus sind in den 1 und 2 dargestellt. In beiden Beispielen empfängt ein Stromversorgungsadapter 1 Strom (power) von einer externen Leistungsquelle Q (auch als primäre Stromversorgung bezeichnet, z.B. das Stromnetz, eine 12V-Autobatterie oder ähnliches) und stellt (als sekundäre Leistungsquelle) über ein Buskabel 3 einem elektronischen Gerät 2 elektrische Leistung/Strom zur Verfügung. In dem Beispiel aus 1 beinhaltet das Buskabel 3 drei Busleitungen, die mit VBUS, D und GND bezeichnet sind, wobei die erste Busleitung VBUS (Versorgungsleitung) den Laststrom führt; die zweite Busleitung D ist eine Datenleitung zum übertragen eines seriellen Datenstromes und die dritte Busleitung GND ist eine Masseleitung auf Massepotential. In dem Beispiel aus 2 beinhaltet das Buskabel 3 vier Busleitungen, die mit VBUS, D+, D– und GND bezeichnet sind, wie es bei einem USB 1.x, USB 2 oder USB 3 Bus der Fall ist, bei dem USB Typ A und Typ B Kabel/Steckverbinder verwendet werden. Die erste Busleitung VBUS führt den Laststrom, die zweite Busleitung D+ ist eine erste Datenleitung, die dritte Busleitung D– ist eine zweite Datenleitung und die vierte Busleitung GND ist eine Masseleitung auf Massepotential. Die beiden Datenleitungen D+ und D– werden zur Übertragung eines differentiellen Datensignals, das einen seriellen Datenstrom repräsentiert, verwendet. Das Beispiel aus 3 ist beinah identisch mit dem vorherigen Beispiel aus 2, enthält jedoch zusätzlich eine Konfigurationskanal-(Configuration Channel, CC)Signalleitung (Konfigurationsleitung), welche in der USB Power Delivery 2.0 Spezifikation enthalten ist und mit USB Typ C Kabel/Steckverbinder verwendet wird. Die Konfigurationsleitung CC kann zur Kommunikation zwischen Stromversorgungsadapter 1 und elektronischem Gerät 2 zusätzlich zu oder statt den Datenleitungen D– und D+ verwendet werden. Insbesondere kann die Konfigurationsleitung CC zum „Aushandeln“ (zwischen Adapter 1 und Gerät 2) der Spannung, die an die Versorgungsleitung VBUS angelegt werden soll, verwendet werden. Es sei angemerkt, dass ein serieller Datenstrom auch über die erste Busleitung VBUS (Versorgungsleitung) übertragen werden kann, beispielsweise durch Modulation der Ausgangsspannung oder des Laststroms wie es bei bekannten Zweidraht-Bussystemen der Fall ist. Des Weiteren können mehr als zwei Datenleitungen verwendet werden, z.B. bei der Verwendung einer parallelen Datenübertragung. Zusätzliche Steuerleitungen können zur Implementierung von Handshake- oder anderer Steuermechanismen verwendet werden, um die Datenübertragung über die Datenleitung(en) zu steuern. Obwohl die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele einfach mittels USB implementiert werden können, kann auch ein beliebiges anderes Bussystem, das eine Versorgungsleitung aufweist, verwendet werden.
4 illustriert eine exemplarische Implementierung des allgemeinen Konzepts gemäß der 1 und 2. Die Schaltungskomponenten, welche für die gegenwärtigen Erläuterungen nicht nötig sind, wurden jedoch weggelassen. Demnach weist das elektronsiche Gerät 2 eine integrierte Power-Management-Schaltung (power management integrated circuit, PMIC) 21, die mit den Busleitungen VBUS (Versorgungsleitung), GND (Messeleitung) und D (Datenleitung) gekoppelt ist. Im Falle einer differentiellen Signalübertragung (siehe 2) werden die Datenleitungen D+ und D– statt einer einzelnen Datenleitung D verwendet. Bei Verwendung des USB Power Delivery 2.0 Standards kann alternativ die Konfigurationsleitung CC für die digitale Kommunikation zwischen Stromversorgungsadapter 1 und elektronischem Gerät 2 verwendet werden. Im Allgemeinen ist ein PMIC ein integrierter Schaltkreis (integrated circuit, IC) für das Management von Leistungsanforderungen (power requirements) eines Host-Systems (z.B. des portablen elektronischen Geräts 2). Ein PMIC ist üblicherweise in batteriebetriebenen Geräte enthalten und steuert die Leistungsaufnahme des elektronischen Geräts. Er kann Stromwandlerschaltungen (power conversion circuits) aufweisen zur effizienten Bereitstellung verschiedener Spannungen (z.B. 5V, 3,3V, 1.8V, etc.) für unterschiedliche elektronische Schaltungen oder andere elektronische Komponenten, die in dem portablen elektronischen Gerät 2 enthalten sind. Der PMIC 21 ist mit einer Bus-Schnittstelle (mit I/O beschriftet) gekoppelt, welche es dem PMIC ermöglicht, über die Datenleitung(en) D bzw. D+ und D– mit dem Stromversorgungsadapter 1 zu kommunizieren.
Der im portablen elektronischen Gerät 2 enthaltene PMIC 21 ist dazu ausgebildet, beim Adapter 1 eine bestimmte Spannung „anzufordern“. Abhängig von den Fähigkeiten des Adapters 1 können zwei oder mehr „Leistungsprofile“ (power profiles, z.B. 5V Ausgangsspannung bei 2A max. Laststrom (10W), 12 V Ausgangsspannung bei 1,5A max. Laststrom (18W), 12V Ausgangsspannung bei 3A max. Laststrom (36W), 20V Ausgangsspannung bei 5A max. Laststrom (100W), etc.) vom Adapter bereitgestellt und vom PMIC 21 des portablen elektronischen Geräts durch Senden eines geeigneten Anforderungskommandos (request command) an den Adapter über die Datenleitung(en) ausgewählt werden. In dem Beispiel aus 4 ist die vom Adapter erzeugte Ausgangsspannung mit V₁ bezeichnet, wohingegen die Versorgungsspannung, die vom portablen elektronischen Gerät 2 tatsächlich „gesehen“ wird, mit V₂ bezeichnet ist; der Laststrom ist mit i_L bezeichnet. Bei Verwendung eines fehlerlosen Buskabels wird die Versorgungsspannung V₂ ungefähr gleich der Ausgangsspannung V₁ des Adapters sein, da der ohmsche Widerstand R_BUS (Leitungswiderstand) der Versorgungsleitung VBUS vernachlässigbar klein ist. Jedoch können verschiedene Buskabel unterschiedliche Leistungswiderstände R_BUS aufweisen. Folglich kann, insbesondere bei hohen Ausgangsströmen, die Versorgungsspannung V₂, die beim portablen elektronischen Gerät „ankommt“, geringer sein als die vom Adapter 1 erzeugte Soll-Ausgangspannung V₁. Der gleiche Effekt wird im Fall, dass die Masseleitung GND einen nicht vernachlässigbaren Widerstand aufweist, auftreten. Das Adapter kann einen Spannungsabfall über der Busleitung (und der Masseleitung) unter Verwendung eines Messwerts des Leitungswiderstandes R_BUS kompensieren. Eine detaillierte Erläuterung dieser Kompensation erfolgt später unter Bezugnahme auf 6. Zusätzlich kann das Buskabel schlechter werden (z.B. aufgrund von Oxidation und mechanischer Belastung) und der Leitungswiderstand R_BUS kann größer werden, was einen signifikanten Spannungsabfall V₂ – V₁ über der Busleitung VBUS verursachen kann. In einem solchen Fall sollte das Kabel jedoch nicht weiterverwendet werden und der Benutzer kann entsprechend informiert werden.
In dem Beispiel aus 4 weist der Adapter einen Schaltwandler 11, der ein DC/DC-Wandler oder ein AC/DE-Wandler sein kann, sowie eine Steuerschaltung auf, die auch als Controller 12 bezeichnet wird. Der Controller 12 ist dazu ausgebildet, mit dem Schaltwandler 11 zu kommunizieren, um die vom Schaltwandler 11 erzeugte Ausgangsspannung V₁ zu steuern und um Statusinformation (z.B. ein Fehlersignal) vom Schaltwandler 11 zu empfangen. In 4 ist die Kommunikationsverbindung zwischen Controller 12 und Schaltwandler 11 durch die Leitung COMM symbolisiert, die eine beliebige Anzahl von Steuer-/Datenleitungen repräsentiert, welche zum Informationsaustausch verwendet werden können. Um die Ausgangsspannung V₁ zu steuern, kann der Controller 12 den Sollwert, der für die interne Regelung der Ausgangsspannung des Schaltwandlers 11 verwendet wird, anpassen. Die erwähnte Statusinformation kann Fehlersignale umfassen, die einen Fehlerzustand anzeigen wie z.B. eine Übertemperatur, eine Strombegrenzung aufgrund von Überlast, etc.
Der Controller 12 kann des Weiteren dazu ausgebildet sein, den Laststrom i_L und die vom Adapter 1 bereitgestellte Ausgangsspannung V₁ zu erfassen. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Stromsensorschaltung umfassend einen Strommesswiderstand, der innerhalb des Adapters 1 in die Masseleitung eingefügt ist, und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) mit dem Controller 12 gekoppelt; die Stromsensorschaltung ist dazu ausgebildet, den Spannungsabfall i_L·R_CS über dem Strommesswiderstand R_CS in einen digitalen Stromwert zu wandeln, der den Laststrom i_L repräsentiert. Im vorliegenden Beispiel ist der Analog-Digital-Wandler (in 4 mit IADC bezeichnet) in dem Controller 12 inkludiert. In ähnlicher Weise ist eine Spannungssensorschaltung umfassend einen Spannungsteiler (Widerstände R₁ und R₂), der dazu ausgebildet ist, eine skalierte Ausgangsspannung V₁‘ an seinem Mittelabgriff bereitzustellen, und einen weiteren ACD (in 4 mit VADC bezeichnet) mit dem Controller 12 gekoppelt; die Spannungssensorschaltung ist dazu ausgebildet, die Ausgangsspannung V₁ in ein digitales Spannungssignal zu wandeln, das die Ausgangsspannung V₁ repräsentiert. Des Weiteren ist der Controller 12 mit einem Temperatursensor TS gekoppelt, der dazu ausgebildet ist, die Umgebungstemperatur in dem Adapter 1 zu erfassen und dem Controller 12 ein Temperaturmesssignal zur Verfügung zu stellen. Das Temperaturmesssignal kann ebenso durch den Controller 12 oder bevor es dem Controller 12 zugeführt wird digitalisiert werden. Der Controller 12 weist auch eine Mikroprozessoreinheit (micro processor unit) MPU und einen nicht-flüchtigen Speicher (non-volatile memory) NVM auf; der Controller 12 kann abhängig von der tatsächlichen Implementierung des Weiteren einen flüchtigen Speicher (Random Access Memory, RAM) aufweisen. Im Allgemeinen kann ein beliebiger Typ von Mikrocontroller, der dedizierte Software ausführt, zur Implementierung des Controllers 12 verwendet werden. Jedoch kann stattdessen auch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (application specific integrated circuit, ASIC) oder eine beliebige andere Logikschaltung (z.B. FPGA) verwendet werden.
Wie erwähnt umfasst der Stromversorgungsadapter 1 mehrere Sensorschaltungen zur Erfassung physikalischer Parameter im Adapter 1 wie z.B. die Umgebungstemperatur im Adapter, den Laststrom i_L und die vom Adapter 1 bereitgestellte Ausgangsspannung V₁. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird Information, die auf einem oder mehreren dieser physikalischen Parameter basiert, an das über das Buskabel 3 mit dem Adapter 1 verbundene elektronische Gerät 2 übermittelt. Beispielsweise kann Information über die im Adapter 1 erfasste Umgebungstemperatur über die Datenleitung(en) D bzw. D+ und D– an das elektronische Gerät 2 übertragen werden; die Temperaturinformation versetzt das elektronische Gerät in die Lage, seine Leistungsaufnahme abhängig von der Temperatur des Adapters anzupassen. Des Weiteren kann das elektronische Gerät 2 den Nutzer, beispielsweise durch Anzeigen einer Warnmeldung auf einer Anzeige des Geräts 2, informieren, wann die Temperatur des Adapters 1 einen bestimmten Grenzwert überschritten hat. Alternativ oder zusätzlich kann Information über die Ausgangsspannung V₁ an das elektronische Gerät 2 übertragen werden; die Spannungsinformation versetzt das elektronische Gerät 2 in die Lage, den Spannungsabfall V₂ – V₁ über der Versorgungsleitung und somit auch den korrespondierenden Leitungswiderstand R_BUS zu berechnen. Wenn der Spannungsabfall V₂ – V₁ oder der Leitungswiderstand zu hoch ist (d.h. einen bestimmten Grenzwert übersteigt), kann das elektronische Gerät 2 den Nutzer informieren, z.B. mittels Darstellung einer Fehlermeldung auf einer Anzeige des Geräts 2 (z.B. eine „broken cable“ Nachricht).
Da moderne Stromversorgungsadapter von geringer Größe sein können, kann die Wärmeableitung oft ein Problem darstellen. 5 enthält ein Diagramm, das die Kennlinie des normierten, vom Adapter verwendeten Stromlimits über der Umgebungstemperatur zeigt. Das normierte Stromlimit ist 1,0 für eine Temperatur von 25°C und sinkt mit steigender Temperatur. Bei einer Temperatur von 85°C ist das Stromlimit auf 0,95 (z.B. um 5 Prozent) gefallen. Das sinkende Stromlimit stabilisiert die Wärmeerzeugung und stellt einen Sicherheitsmechanismus gegen Überhitzung dar. Bei bekannten Lösungen würde das elektronische Gerät 2 auf ein Leistungsprofil mit niedrigerer Leistungsaufnahme umschalten, wenn der Adapter den gewünschten Ausgangsstrom nicht liefert. Falls beispielsweise der Adapter aufgrund einer Temperaturerhöhung auf 85°C den Laststrom auf 2,85 A statt auf 3 A begrenzt, würde das Gerät auf ein Leistungsprofil mit beispielsweise 2 A maximalem Ausgangsstrom umschalten. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ermöglicht es dem elektronischen Gerät, die Stromaufnahme des Geräts regelmäßig oder kontinuierlich in Reaktion auf die vom Adapter 1 empfangene Temperaturinformation anzupassen; die Fähigkeiten des Stromversorgungsadapters werden folglich nicht unter den Möglichkeiten ausgenutzt. Ein Temperatur-Feedback an das portable elektronische Gerät 2 ermöglicht des Weiteren dem gleichen elektronischen Gerät einen Betrieb mit verschiedenen Adaptern, die verschiedene Stromlimit-Kennlinien aufweisen. Schließlich kann der Adapter 1 in sicherer und kontrollierter Weise an seinem Stromlimit betrieben werden, wodurch folglich die Ausgangsleistung maximiert wird. Abhängig von der tatsächlichen Implementierung kann eine Kennlinie oder Daten, die das temperaturabhängige Stromlimit des Adapters repräsentieren, in einem mit dem Controller 12 gekoppelten nicht-flüchtigen Speicher NVM gespeichert werden. Die gespeicherte Information kann an das elektronische Gerät 2 übertragen und von dem elektronischen Gerät zur Regelung der Laststromaufnahme verwendet werden.
Wie oben erwähnt kann eine digitale Darstellung der Ausgangsspannung V₁ von dem Adapter 1 an das elektronische Gerät 2 übertragen werden, um dem elektronischen Gerät die Detektion einer fehlerhaften Versorgungsleitung VBUS (und einer fehlerhaften Masseleitung GND) zu ermöglichen. Eine ähnliche Detektion kann auch auf der Adapterseite erreicht werden, wenn die vom portablen elektronischen Gerät 2 „gesehene“ Versorgungsspannung V₂ erfasst und eine digitale Darstellung der Versorgungsspannung V₂ über die Datenleitung(en) D bzw. D+ und D– an den Adapter 1 (z.B. an den Controller 12) übertragen wird. Basierend auf der empfangenen Information betreffend die Versorgungsspannung V₂ sowie auf dem digitalen Spannungsmesssignal, das die Ausgangsspannung V₁ repräsentiert, kann der Controller 12 den Spannungsabfall V₁ – V₂ über der Busleitung VBUS (Versorgungsleitung) und folglich auch den Widerstand R_BUS der Busleitung (R_BUS = (V₁ – V₂)/i_L) berechnen. Sobald der Wert des Leitungswiderstandes R_BUS berechnet wurde, kann er für die Kompensation des Spannungsabfalls V₁ – V₂ über der Busleitung VBUS und der Masseleitung GND verwendet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in dem Controller 12 eine Regelschleife (control loop) implementiert (z.B. durch geeignete Programmierung der MPU), die dazu ausgebildet ist, die Ausgangsspannung V₁ so zu regeln, dass die Versorgungsspannung V₂ des angeschlossenen elektronischen Gerätes 2 ungefähr dem gewünschten Sollwert entspricht. Im Gegensatz dazu regeln bekannte Lösungen lediglich die Ausgangsspannung V₁, sodass diese einem gewünschten Sollwert entspricht. Eine exemplarische Implementierung der Regelschleife ist in 6 dargestellt.
Gemäß dem Beispiel aus 6 empfängt eine Funktionseinheit X₂ (z.B. implementiert im Controller 12) Digitalwerte, welche die Ausgangspannung V₁ (erzeugt vom Schaltwandler 11) sowie die Versorgungsspannung V₂ repräsentieren. Der die Ausgangspannung V₁ repräsentierende Digitalwert kann vom Analog-Digital-Wandler VADC (siehe 4) bereitgestellt werden, wohingegen der die Versorgungsspannung V₂ repräsentierende Digitalwert über die Busleitung D (oder die Leitungen D+ und D–) empfangen werden kann. The Funktionseinheit X₂ ist dazu ausgebildet, den Leitungswiderstand R_BUS zu bestimmen, z.B. durch Auswerten der Gleichung R_BUS = (V₁ – V₂)/i_L. Ein Digitalwert des Laststroms i_L kann von dem Analog-Digital-Wandler IADC (siehe 4) bereitgestellt werden, der mit dem Strommesswiderstand R_CS verbunden ist. Es sei angemerkt, dass die Analog-Digital-Wandler und die Bus-Schnittstelle in 6 weggelassen wurden, um die Darstellung einfach zu halten. Der Leitungswiderstand RBUS kann, wenn das portable elektronische Gerät 2 mit dem Stromversorgungsadapter 1 verbunden wird, einmal bestimmt werden oder auch regelmäßig während des Betriebs des Adapters 1 während das elektronische Gerät 2 verbunden ist.
Die tatsächliche Regelschleife setzt ich aus dem Schaltwandler 11, einem Regler CTL und einer in der Feedback-Schleife enthaltenen Funktionseinheit X₁ zusammen. Die Funktionseinheit X1 empfängt den digitalen Messwert, der die Ausgansspannung V₁ repräsentiert, und den digitalen Messwert, der den Laststrom i_L repräsentiert, und berechnet daraus einen Digitalwert, der die Versorgungsspannung V₂ repräsentiert, beispielsweise unter Verwendung der Gleichung V₂ = V₁ – R_BUS·i_L. Das Ausgangssignal der Funktionseinheit X₂ ist mit V₂‘ bezeichnet, um zu betonen, dass es sich dabei nicht um die tatsächliche Versorgungsspannung V₂ handelt, sondern vielmehr um eine Art Schätzung (basierend auf der Annahme dass der Leitungswiderstand R_BUS konstant ist). Die (berechnete) Versorgungsspannung V₂‘ wird vom Sollwert V_S, der die gewünschte Versorgungsspannung repräsentiert, abgezogen. Die Subtraktion wird durch die Funktionseinheit SUB (Subtrahierer) erreicht, welche die Differenz ∆V bereitstellt (∆V = V₁ – V₂‘). Diese Differenz ∆V kann als Fehlersignal betrachtet werden, und ist dem Regler CTL zugeführt. Der Regler CTL ist dazu ausgebildet, die Schaltwandlerausgangsspannung so anzupassen, dass das erwähnte Fehlersignal ∆V sich dem Wert null nähert, was gleichbedeutend damit ist, dass die Versorgungsspannung V₂ ungefähr gleich dem Sollwert V_S ist. Der Regler CTL kann gemäß einem beliebigen geeigneten Regelgesetz arbeiten. Beispielsweise kann der Regler CTL ein PID-(proportional-integral-derivative)Regler sein. Eine Beispiel der in 6 dargestellten Struktur zeigt, dass die Regelschleife das portable elektronische Gerät 2 nicht enthält. Das heißt, die Regelschleife ist in der Lage, die Versorgungsspannung V₂ unter Verwendung eines berechneten und gespeicherten Wertes des Leitungswiderstandes R_BUS, der einmal beim Einschalten oder von Zeit zu Zeit aktualisiert werden kann, zu regeln. Eine kontinuierliche Übertragung von Information über die Versorgungsspannung V₂ über die Busleitung D (oder die Leitungen D+ und D–) ist nicht nötig.
Wie oben erwähnt kann der Controller 12 einen nicht-flüchtigen Speicher NVM (siehe 4) enthalten oder mit einem solchen gekoppelt sein. Der Speicher NWM kann Informationen betreffend die Fähigkeiten (capabilities) des Adapters 1 enthalten, beispielsweise die verfügbaren Spannungspegel und Stromlimits, Information betreffend die maximale Temperatur oder betreffend die Temperaturabhängigkeit der Stromlimits (siehe 5). Des Weiteren kann der Speicher NVM ein digitales Zertifikat beinhalten, welches es dem Adapter 1 erlaubt, sich beim portablen Gerät 2 zu authentifizieren. Das portable elektronische Gerät 2 kann dann feststellen, ob der Stromversorgungsadapter 1 ein Originalprodukt oder ein Produkt aus dem Anschlussmarkt (after-market product) ist.
7 ist ein Flussdiagramm, welches ein Beispiel der Interaktionen zwischen dem Stromversorgungsadapter 1 und dem portablen elektronischen Gerät 2 darstellt. Das Diagramm beginnt oben zu einem Zeitpunkt, an dem das portable elektronische Gerät 2 mit dem Stromversorgungsadapter 1 verbunden wird. Anfangs erzeugt der Stromversorgungsadapter eine Anfangs-(erste) Ausgangsspannung (Schritt 61), welche dem portablen elektronischen Gerät 2 über die Versorgungsleitung SUP und die Masseleitung GND (siehe 1 bis 4) zur Verfügung gestellt wird. Gemäß existierenden Standards (z.B. der USB power delivery Spezifikation) beträgt die Anfangsspannung 5V. Jedoch kann in anderen Systemen eine andere Anfangsspannung verwendet werden. Sobald es mit der Anfangsspannung versorgt wird, kann das portable elektronische Gerät 2 eine Authentifizierung anfordern (Schritt 62), wenn eine höhere Versorgungsspannung als die Anfangsspannung (z.B. 5V) gewünscht ist. In diesem Fall kann der Adapter 1 sich bei dem elektronischen Gerät 2 authentifizieren (Schritt 63). Ein beliebiges bekanntes Authentifizierungsverfahren kann verwendet werden, wie z.B. eine Challenge-Response-Authentifizierung (mit einem Shared Secret) oder eine Authentifizierung mittels digitalen Signaturen. Es sei angemerkt, dass die Authentifizierungsprozedur auch komplexer sein kann als die in 7 dargestellte zweistufige Prozedur. Wenn der Adapter 1 sich erfolgreich bei dem elektronischen Gerät authentifiziert hat, „weiß“ das elektronische Gerät, dass der Adapter 1 ein Originaladapter ist, der eine bestimmte Menge von Features unterstützt und oder bestimmte Fähigkeiten aufweist. Wenn die Authentifizierung fehlschlägt, kann das elektronische Gerät mit der (niedrigen) Anfangsspannung weitermachen und keine höhere Versorgungsspannung anfordern. Die Authentifizierungsprozedur erfolgt mittels digitaler Datenübertragung über die Datenleitung(en) D bzw. D+ und D–. Alternativ kann wie oben erwähnt auch die Konfigurationsleitung CC verwendet werden (siehe 1 bis 4). Anschließend (Schritt 64) kann das elektronische Gerät detaillierte Informationen über die Fähigkeiten des Adapters einlesen, die in dem Speicher NVM des Adapters abgelegt sein können (siehe 4).
Der Adapter überträgt diese Informationen digital über die Datenleitung(en). Selbstverständlich kann die tatsächliche Datenübertragung komplexer sein als in 7 dargestellt. Beispielsweise kann ein Handshake-Mechanismus verwendet werden, um die Information zu übertragen (z.B. Gerät 2 fordert die Information an, Adapter 1 sendet die Information, Gerät 2 bestätigt den Empfang).
Sobald das portable elektronische Gerät 2 die Fähigkeiten des Adapters „kennt“, kann das Gerät 2 über die Busleitung(en) eine Anforderung (Schritt 65) zur Bereitstellung einer bestimmten Leistung gemäß einem bestimmten Leistungsprofil (z.B. 12V Ausgangsspannung mit 3 A Stromlimit) an den Adapter senden. Der Adapter 1 reagiert mit Umschalten auf das angeforderte Leistungsprofil und stellt die gewünschte Ausgangsspannung V₁ zur Verfügung (z.B. V₁ = 12 V, Schritt 66). Sobald der Adapter 1 die gewünschte Ausgangsspannung V₁ bereitstellt, kann das portable elektronische Gerät 1 (hin zum Adapter 1) eine digitale Darstellung der vom portablen Gerät 2 „gesehenen“ Versorgungsspannung V₂ übertragen (Schritt 67), was dem Adapter 1 die oben erläuterte Berechnung (d.h. Schätzung) des Leitungswiderstandes R_BUS erlaubt. Basierend auf dem berechneten Leitungswiderstandswert kann der Adapter, wie oben unter Bezugnahme auf 6 erläutert, die auf Seite des Geräts 2 vorhandene Versorgungsspannung V₂ regeln (statt der Regelung der eigenen Ausgangsspannung V₁). In dem Beispiel aus 7 liest das Gerät Information über den Leitungswiderstand R_BUS und die Adaptertemperatur über die Datenleitung(en) D bzw. D+ und D– (Schritte 68 und 69). Dies ermöglicht es dem portablen elektronischen Gerät 2, den Benutzer im Falle eines defekten Buskabels (d.h. Leitungswiderstand zu hoch) und im Fall einer Übertemperatur im Adapter 1 zu informieren. Des Weiteren kann das portable elektronische Gerät 2 den Laststrom abhängig von der gegenwärtigen Temperatur des Adapters anpassen. Der Schritt 68 und/oder der Schritt 69 können regelmäßig oder von Zeit zu Zeit wiederholt werden.
Es sei angemerkt, dass die gegenwärtige Darstellung lediglich ein Beispiel ist und manche Schritte in anderen Implementierungen optional sein können. In einfachen Implementierungen kann z.B. die Authentifizierung (Schritte 63 und 64) weggelassen werden. Die Übertragung der Temperaturinformation (Schritt 69) kann weggelassen werden, wenn keine temperaturanhängige Anpassung des Laststroms gewünscht ist. In einem anderen Beispiel wird lediglich die Information über die Versorgungsspannung V₂ übertragen, um den Leitungswiderstand R_BUS zu schätzen und die unter Bezugnahme auf 6 erläuterte Regelung durchzuführen.
Während verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, wird es für Fachleute augenscheinlich, dass viele weitere Ausführungsbeispiele innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung möglich sind. Demnach soll die Erfindung außer im Lichte der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente nicht beschränkt werden. Hinsichtlich der verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Baugruppen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systemen, usw.) ausgeführt werden, sollen – sofern nicht s anderes angegeben ist – die Bezeichnungen (einschließlich des Bezugs auf ein „Mittel“), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben, auch jeder anderen Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (d.h. die funktional gleichwertig ist), auch wenn sie der offenbarten Struktur, die in den hier dargestellten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung die Funktion ausführt, nicht strukturell gleichwertig ist.

Claims

Eine Schaltungsanordnung zur Stromversorgung, die im Betrieb mit einem elektronischen Gerät über ein Buskabel verbunden ist; die Schaltungsanordnung weist auf: eine Stromversorgungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, eine Ausgangsspannung einem ersten Ende einer ersten Busleitung des Buskabels zuzuführen, um das elektronische Gerät über die erste Busleitung zu versorgen; eine Kommunikationsschnittstelle, die dazu ausgebildet ist, mit dem elektronischen Gerät über die erste Busleitung oder über zumindest eine zweite Busleitung des Buskabels zu kommunizieren; eine Sensorschaltung, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen physikalischen Parameter der Schaltungsanordnung zu erfassen; und eine Steuerschaltung, die mit der Sensorschaltung gekoppelt und dazu ausgebildet ist, Informationen, die auf einem physikalischen Parameterbasieren, an das elektronische Gerät zu übermitteln.
Die Schaltungsanordnung zur Stromversorgung gemäß Anspruch 1, wobei der zumindest eine physikalische Parameter die Temperatur ist, und wobei die auf dem physikalischen Parameter basierende Information eine digitale Darstellung der Temperatur oder ein Übertemperatursignal umfasst.
Die Schaltungsanordnung zur Stromversorgung gemäß Anspruch 1, wobei der zumindest eine physikalische Parameter die Ausgangsspannung ist, die von der Stromversorgungsschaltung bereitgestellt wird.
Die Schaltungsanordnung zur Stromversorgung gemäß Anspruch 3, wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, über die Kommunikationsschnittstelle von dem elektronischen Gerät eine digitale Darstellung der Versorgungsspannung zu empfangen, die dem elektronischen Gerät durch ein zweites Ende der ersten Busleitung zugeführt wird.
Die Schaltungsanordnung zur Stromversorgung gemäß Anspruch 4, wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, einen Leitungswiderstand der ersten Busleitung zu berechnen basierend auf einer digitalen Darstellung der Ausgangsspannung und einer über die Kommunikationsschnittstelle empfangenen digitalen Darstellung der Versorgungsspannung.
Die Schaltungsanordnung zur Stromversorgung gemäß Anspruch 5, wobei die auf dem physikalischen Parameter basierende Information eine digitale Darstellung des Leitungswiderstandes der ersten Busleitung umfasst.
Die Schaltungsanordnung zur Stromversorgung gemäß Anspruch 5, die weiter aufweist: eine Feedback-Regelschleife zur Regelung der Ausgangsspannung, sodass die dem elektronischen Gerät zugeführte Versorgungsspannung im Wesentlichen einem gewünschten Sollwert entspricht; die Regelschleife umfasst eine Feedback-Schaltung, welche die Ausgangsspannung empfängt und dazu ausgebildet ist, die Ausgangsspannung basierend auf dem Leistungswiderstand zu korrigieren.
Die Schaltungsanordnung zur Stromversorgung gemäß Anspruch 1, die weiter aufweist: einen nicht-flüchtigen Speicher, der weitere Information über zumindest eines der folgenden enthält: ein digitales Zertifikat, eine Seriennummer, ein Produktinformationscode; die Steuerschaltung ist mit dem nicht-flüchtigen Speicher gekoppelt und dazu ausgebildet, die weitere Information an das elektronische Gerät zu übermitteln.
Ein Verfahren zur Versorgung eines elektronischen Geräts mit Strom mittels eines Stromversorgungsadapters; das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Ausgangsspannung an einem Versorgungsausgang des Stromversorgungsadapters, wobei der Versorgungsausgang des Stromversorgungsadapters über eine Versorgungsleitung mit einem Versorgungseingang des elektronischen Geräts verbunden ist; Erfassen einer Versorgungsspannung an dem Versorgungseingang des elektronischen Geräts; Übertragen von Informationen über die Versorgungsspannung durch das elektronische Gerät und an den Stromversorgungsadapter; und Verarbeiten der Informationen über die Versorgungsspannung durch den Stromversorgungsadapter.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Verarbeiten der Informationen über die Versorgungsspannung umfasst: Berechnen eines Leitungswiderstandes der Versorgungsleitung basierend auf der Ausgangsspannung am Versorgungsausgang, der Versorgungsspannung am Versorgungseingang und einem gemessenen Laststromsignal.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Verarbeiten der Informationen über die Versorgungsspannung umfasst: Schätzen der Versorgungsspannung am Versorgungseingang basierend auf dem Leitungswiderstand und der Ausgangsspannung am Versorgungsausgang; Regeln der Ausgangsspannung am Versorgungsausgang basierend auf der geschätzten Versorgungsspannung und einem korrespondierenden Sollwert.
Ein Verfahren zur Versorgung eines elektronischen Geräts mit Strom mittels eines Stromversorgungsadapters; das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Ausgangsspannung an einem Versorgungsausgang des Stromversorgungsadapters, wobei der Versorgungsausgang des Stromversorgungsadapters über eine Versorgungsleitung mit einem Versorgungseingang des elektronischen Geräts verbunden ist; Erfassen einer Temperatur in dem Adapter; Übertragen von Informationen über die erfasste Temperatur durch den Adapter und an das elektronische Gerät; und Verarbeiten der Informationen über die erfasste Temperatur durch das elektronische Gerät.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Verarbeiten der Informationen über die erfasste Temperatur umfasst: Anpassen der Laststromaufnahme des elektronischen Geräts basierend auf der erfassten Temperatur.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Verarbeiten der Informationen über die erfasste Temperatur umfasst: Empfangen einer Kennlinie von dem Stromversorgungsadapter, die ein anwendbares Stromlimit über der Temperatur repräsentiert; Anpassen einer Laststromaufnahme des elektronischen Geräts basierend auf der erfassten Temperatur und der Kennlinie.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, das weiter umfasst: Empfangen einer digitalen Darstellung der dem Versorgungseingang des elektronischen Geräts zugeführten Versorgungsspannung über die Kommunikationsschnittstelle und von dem elektronischen Gerät; Berechnen eines Leitungswiderstandes der ersten Busleitung basierend auf der Ausgangsspannung am Versorgungsausgang des Adapters und der Versorgungsspannung am Versorgungseingang des elektronischen Geräts.
Das Verfahren gemäß Anspruch 15, das weiter umfasst: Übertragen von Information betreffend den berechneten Leitungswiderstand durch den Adapter an das elektronische Gerät.