DE102015202059A1

DE102015202059A1 - Lastverbindungsdetektion

Info

Publication number: DE102015202059A1
Application number: DE102015202059.2A
Authority: DE
Inventors: John W. c/o Dialog Semiconductor Inc. Kesterson; c/o Dialog Semiconductor Inc. Li Yong; c/o Dialog Semiconductor Inc. Shi Fuqiang
Original assignee: Dialog Semiconductor Inc
Current assignee: Dialog Semiconductor Inc
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2015-02-05
Publication date: 2016-05-25
Also published as: CN105842553A; CN105842553B; US20160146877A1; US9772367B2; KR20160062724A

Abstract

Eine Vorrichtung umfasst einen Ausgangsanschluss, der mit einer Last verbunden werden soll; einen ersten Eingangsanschluss, um ein erstes Eingangssignal zu empfangen; und einen zweiten Eingangsanschluss, der zwischen den ersten Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss gekoppelt ist, um ein zweites Eingangssignal zu empfangen. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Kopplungsschaltung, um das zweite Eingangssignal mit dem Ausgangsanschluss zu koppeln, und eine Frequenzisolationsschaltung, die eine Frequenzantwort aufweist, um das erste Eingangssignal zum Ausgangsanschluss durch zu lassen, aber zu verhindern, dass sich das zweite Eingangssignal zum ersten Eingangsanschluss ausbreitet. Die Vorrichtung umfasst auch eine Detektionsschaltung, um eine Spannung eines Ausgangssignals am Ausgangsanschluss zu bestimmen, wobei das Ausgangssignal einen ersten Amplitudenbereich aufweist, wenn eine Last am Ausgangsanschluss fehlt, und einen zweiten Amplitudenbereich, der niedriger ist als der erste Amplitudenbereich, aufweist, wenn die Last am Ausgangsanschluss vorhanden ist.

Description

HINTERGRUND
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Verfahren und Geräte zum Detektieren der Verbindung einer Lastvorrichtung mit einer Quellenvorrichtung und insbesondere auf das Detektieren einer Verbindung einer Lastvorrichtung mit einem Leistungsumsetzer.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Verschiedene Kommunikationsprotokolle beruhen auf einer Kommunikationssignalisierung zwischen zusammengehörenden Vorrichtungen (z. B. Quellen- und Lastvorrichtungen) für Leistungs- und Datenübertragungsanwendungen. In solchen Fällen kann es erwünscht sein, dass die Quellenvorrichtung detektiert, ob eine Lastvorrichtung tatsächlich mit der Quellenvorrichtung verbunden ist oder nicht. Wenn beispielsweise die Quellenvorrichtung eine regulierte Leistungsversorgung ist, die verschiedene Typen von Lastvorrichtungen oder verschiedene Modi zum Speisen von Lastvorrichtungen (z. B. variable Versorgungsspannungen) unterstützt, könnte die Quellenvorrichtung identifizieren müssen, ob eine Lastvorrichtung verbunden ist oder nicht, und optional den Typ der Lastvorrichtung, die mit ihr verbunden ist, um den geeigneten Spannungspegel zu liefern, um die Lastvorrichtung sicher zu speisen. Einige Lastvorrichtungen der neueren Generation weisen die Fähigkeit auf, sich durch Austauschen von Quittungssignalen oder Durchführen von vordefinierten Entdeckungssequenzen für die Quellenvorrichtung zu identifizieren. Einige alte Lastvorrichtungen können jedoch nicht die Fähigkeit besitzen, eine solche Entdeckung durchzuführen.
In solchen Situationen sind alternative Methoden erforderlich, um zu ermöglichen, dass eine Quellenvorrichtung bestimmt, ob eine Lastvorrichtung mit ihr verbunden ist oder nicht, und optional den Typ der Lastvorrichtung, die verbunden ist, bestimmt.
ZUSAMMENFASSUNG
Folglich schaffen einige Ausführungsformen Verfahren und Geräte, die ermöglichen, dass eine Quellenvorrichtung die Anwesenheit oder Abwesenheit einer Lastvorrichtung und wahlweise Eigenschaften der Lastvorrichtung detektiert. Ein Gerät umfasst einen Ausgangsanschluss, der mit einer Last verbunden werden soll, einen ersten Eingangsanschluss, um ein erstes Eingangssignal zu empfangen, und einen zweiten Eingangsanschluss, der zwischen den ersten Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss gekoppelt ist, wobei der zweite Eingangsanschluss ein zweites Eingangssignal empfangen soll. Das Gerät umfasst ferner eine Kopplungsschaltung, um das zweite Eingangssignal mit dem Ausgangsanschluss zu koppeln. Außerdem umfasst das Gerät eine Frequenzisolationsschaltung, die zwischen den ersten Eingangsanschluss und den zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist, wobei die Frequenzisolationsschaltung eine Frequenzantwort aufweist, um das erste Eingangssignal zum Ausgangsanschluss auszubreiten, aber zu verhindern, dass sich das zweite Eingangssignal zum ersten Eingangsanschluss ausbreitet. Ferner umfasst das Gerät eine Detektionsschaltung, um eine Spannung eines Ausgangssignals am Ausgangsanschluss zu bestimmen, wobei das Ausgangssignal einen ersten Amplitudenbereich aufweist, wenn eine Last am Ausgangsanschluss fehlt, und einen zweiten Amplitudenbereich, der niedriger ist als der erste Amplitudenbereich, aufweist, wenn die Last am Ausgangsanschluss vorhanden ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst die Kopplungsschaltung einen Transformator. In solchen Ausführungsformen ist der zweite Eingangsanschluss mit einer Primärseite des Transformators gekoppelt und der erste Eingangsanschluss und der Ausgangsanschluss sind mit einer Sekundärseite des Transformators gekoppelt. In solchen Ausführungsformen umfasst die Frequenzisolationsschaltung ein induktives Element des Transformators.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst die Kopplungsschaltung einen Kondensator, der den zweiten Eingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss koppelt. In solchen Ausführungsformen ist die Frequenzisolationsschaltung ein Induktor, der mit dem zweiten Eingangsanschluss über die Kopplungsschaltung gekoppelt ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen ist der erste Amplitudenbereich zwischen drei- und zehnmal größer als der zweite Amplitudenbereich. In einer Ausführungsform ist das erste Eingangssignal im Wesentlichen ein Gleichspannungssignal und das zweite Eingangssignal weist eine Frequenz auf, die nicht geringer ist als 1 MHz. In einer Ausführungsform ist das zweite Eingangssignal ein bandbegrenztes Signal mit mehreren Frequenzen zwischen 500 kHz und 5 MHz. In einer Ausführungsform ist das erste Eingangssignal eine regulierte Ausgangsspannung einer Leistungsversorgungsschaltung.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren das Empfangen eines ersten Eingangssignals an einem ersten Eingangsanschluss. Das Verfahren umfasst ferner das Einspeisen eines zweiten Eingangssignals an einem zweiten Eingangsanschluss, wobei der zweite Eingangsanschluss zwischen den ersten Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss gekoppelt ist. Das zweite Eingangssignal wird durch eine Frequenzisolationsschaltung an der Ausbreitung zum ersten Eingangsanschluss gehindert. Das Verfahren umfasst auch das Detektieren einer Spannung eines Ausgangssignals am Ausgangsanschluss in Reaktion auf das eingespeiste zweite Eingangssignal. Das Verfahren umfasst auch in Reaktion darauf, dass ein Amplitudenbereich der Spannung niedriger ist als ein Schwellenamplitudenbereich, das Bestimmen, dass eine Lastvorrichtung am Ausgangsanschluss verbunden ist; und in Reaktion darauf, dass der Amplitudenbereich der Spannung größer ist als der festgelegte Schwellenwert, das Bestimmen, dass eine Lastvorrichtung nicht am Ausgangsanschluss verbunden ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren auch das Detektieren eines Stroms des Ausgangssignals am Ausgangsanschluss in Reaktion auf das eingespeiste zweite Eingangssignal; das Bestimmen einer Phasenbeziehung zwischen dem Strom und der Spannung des Ausgangssignals am Ausgangsanschluss; und das Bestimmen von Eigenschaften der Lastvorrichtung auf der Basis der Phasenbeziehung.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das zweite Eingangssignal eine erste und eine zweite Frequenz. In solchen Ausführungsformen umfasst das Verfahren zusätzlich das Bestimmen eines ersten Amplitudenbereichs des Ausgangssignals für die erste Frequenz und eines zweiten Amplitudenbereichs des Ausgangssignals für die zweite Frequenz; das Vergleichen des ersten Amplitudenbereichs mit einer ersten Referenz, um ein erstes Maß einer Dämpfung zu erhalten, und des zweiten Amplitudenbereichs mit einer zweiten Referenz, um ein zweites Maß einer Dämpfung zu erhalten; und das Bestimmen von Eigenschaften der Lastvorrichtung auf der Basis eines Vergleichs des ersten und des zweiten Maßes der Dämpfung.
Die in dieser Beschreibung offenbarten Merkmale und Vorteile sind nicht alle zwingend erforderlich bzw. vollständig und insbesondere sind viele zusätzliche Merkmale und Vorteile für einen Fachmann auf dem Gebiet angesichts der Zeichnungen, der Beschreibung und der Ansprüche ersichtlich. Überdies sollte beachtet werden, dass die in der Beschreibung verwendete Sprache hauptsächlich wegen der Lesbarkeit und für Anweisungszwecke ausgewählt wurde und nicht ausgewählt worden sein kann, um den Erfindungsgegenstand abzugrenzen oder einzuschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Lehren der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können durch Betrachten der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leicht verstanden werden.
Fig. (1A) stellt eine erste Konfiguration eines Geräts zum Detektieren einer Verbindung einer Lastvorrichtung an einem Ausgangsanschluss gemäß einer Ausführungsform dar.
1B stellt Ersatzdarstellungen von Unterkomponenten der ersten Konfiguration von 1A gemäß einer Ausführungsform dar.
1C stellt eine alternative Darstellung der ersten Konfiguration von 1A gemäß einer Ausführungsform dar.
2A stellt eine zweite Konfiguration eines Geräts zum Detektieren einer Verbindung einer Lastvorrichtung an einem Ausgangsanschluss gemäß einer anderen Ausführungsform dar.
2B stellt eine alternative Darstellung der zweiten Konfiguration von 2A gemäß einer anderen Ausführungsform dar.
3 stellt eine Beispielanwendung des Lastdetektionsgeräts (1A oder 2A) in einem Leistungsumsetzer gemäß einer Ausführungsform dar.
4 stellt eine Simulation einer Spannungs-Zeit-Wellenform, die am Ausgangsanschluss des Geräts von 1A oder 2A gemessen wird, wobei die Wellenform in Reaktion auf eine abwechselnde Verbindung und Entfernung der Last erzeugt wird, gemäß einer Ausführungsform dar.
5 stellt Frequenzantwortdiagramme (Amplituden- und Phasenantworten) einer Übertragungsfunktion der ersten Konfiguration (1A), wenn sie mit einer kapazitiven Last verbunden ist, als Funktion der Frequenz des eingespeisten Eingangssignals gemäß einer Ausführungsform dar.
6 stellt Frequenzantwortdiagramme (Amplituden- und Phasenantworten) einer Übertragungsfunktion der zweiten Konfiguration (2A), wenn sie mit einer kapazitiven Last verbunden ist, als Funktion der Frequenz des eingespeisten Eingangssignals gemäß einer Ausführungsform dar.
7A und 7B stellen alternative Darstellungen von Frequenzantworten (Amplituden- und Phasenantworten) einer Übertragungsfunktion der zweiten Konfiguration (2A) mit bzw. ohne Last als Funktion der Frequenz des eingespeisten Eingangssignals gemäß einer anderen Ausführungsform dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Figuren und die folgende Beschreibung beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und sind nur zur Erläuterung. Es sollte beachtet werden, dass aus der folgenden Erörterung alternative Ausführungsformen der hier offenbarten Strukturen und Verfahren leicht als brauchbare Alternativen erkannt werden, die verwendet werden können, ohne von den Prinzipien der Offenbarung abzuweichen.
Nun wird im Einzelnen auf mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Bezug genommen, von denen Beispiele in den begleitenden Figuren dargestellt sind. Es wird angemerkt, dass, wann immer ausführbar, ähnliche oder gleiche Bezugszeichen in den Figuren verwendet werden können und eine ähnliche oder gleiche Funktionalität angeben können. Die Figuren stellen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nur für Erläuterungszwecke dar. Ein Fachmann auf dem Gebiet erkennt leicht aus der folgenden Beschreibung, dass alternative Ausführungsformen der hier dargestellten Strukturen und Verfahren verwendet werden können, ohne von den Prinzipien der hier beschriebenen Offenbarung abzuweichen.
Induktiv gekoppelte Eingangssignalquelle
Fig. (1A) stellt eine erste Konfiguration 100 eines Geräts zum Detektieren einer Verbindung einer Lastvorrichtung an einem Ausgangsanschluss gemäß einer Ausführungsform dar.
Das Gerät von 1A kann eine Komponente einer Leistungsversorgungsschaltung wie z. B. einer regulierten Gleichspannungsversorgung, einer Schaltleistungsversorgung, eines Leistungsadapters oder einer Aufladevorrichtung, die dazu konfiguriert ist, ein Leistungssignal zu einer Lastvorrichtung zu liefern, sein oder damit gekoppelt sein. Das Gerät kann beispielsweise eine Komponente eines Leistungsausgangsanschlusses eines Datenübertragungs-Verbindungselements wie z. B. eines USB-Verbindungselements, das Aufladefunktionen umfasst, sein. In diesem Beispiel kann das Gerät ein Leistungssignal für eine Vbus-Leitung eines passenden USB-Kabels treiben oder an diese liefern, um eine Lastvorrichtung 105, die mit dem distalen Ende des USB-Kabels verbunden ist, zu speisen.
In solchen Ausführungsformen ist es erwünscht zu detektieren, ob eine Lastvorrichtung mit dem Gerät verbunden ist oder nicht, ohne dass sich die Lastvorrichtung durch eine Entdeckungssequenz identifiziert, oder ohne Austauschen von Quittungssignalen mit der Lastvorrichtung. Außerdem ist es erwünscht, die Verbindung oder Abwesenheit einer Lastvorrichtung zu detektieren, ohne sich auf den Betrieb der Leistungsversorgung auszuwirken, wenn sie verbunden ist.
Wie in 1A gezeigt, umfasst dazu die erste Konfiguration 100 des Geräts einen ersten Eingangsanschluss AA', einen zweiten Eingangsanschluss BB' und einen Ausgangsanschluss CC'.
Der erste Eingangsanschluss AA' ist dazu konfiguriert, ein erstes Eingangssignal V1 zu empfangen. In einigen Ausführungsformen ist das erste Eingangssignal eine regulierte Ausgangsspannung einer Leistungsversorgungsschaltung und ist im Wesentlichen ein Gleichspannungssignal. In solchen Ausführungsformen ist das erste Eingangssignal dazu konfiguriert, eine Lastvorrichtung (wie z. B. ein Mobiltelefon oder eine mobile Vorrichtung) zu speisen bzw. mit Leistung zu versorgen, die mit dem Gerät koppelt. Das Gerät umfasst einen Ausgangsanschluss CC', der mit einer Last 105 verbunden werden soll. Die Last 105 kann mit dem Ausgangsanschluss CC' des Geräts über ein Kabel 107 wie z. B. eine Vbus-Leitung eines USB-Kabels verbunden sein. Das Kabel 107 kann eine Kabelkapazität (C2) und einen Kabelwiderstand (R3) aufweisen, wie in 1A dargestellt.
Das Gerät umfasst ferner einen zweiten Eingangsanschluss BB', der zwischen den ersten Eingangsanschluss AA' und den Ausgangsanschluss CC' gekoppelt ist. Der zweite Eingangsanschluss BB' ist dazu konfiguriert, ein zweites Eingangssignal V2 zu empfangen. Das zweite Eingangssignal ist bezüglich der Frequenz geeignet vom ersten Eingangssignal unterschieden und weist eine höhere Frequenz als das erste Eingangssignal auf. In einigen Ausführungsformen ist das zweite Eingangssignal ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz zwischen 500 kHz und 5 MHz. In einer Ausführungsform kann beispielsweise das zweite Eingangssignal ein sinusförmiges Signal mit 1 MHz sein. In anderen Ausführungsformen ist das zweite Eingangssignal ein bandbegrenztes Signal (z. B. ein Pseudozufallssignal, ein Breitbandrauschsignal, ein durchlaufenes Sinussignal, ein PSK- oder Phasenumtastsignal und dergleichen) mit mehreren Frequenzen innerhalb eines festgelegten Frequenzbereichs (z. B. zwischen 500 kHz und 5 MHz).
Das Gerät umfasst ferner eine Kopplungsschaltung 110, um das zweite Eingangssignal V2 mit dem Ausgangsanschluss CC' zu koppeln. In einer Ausführungsform und wie in 1A gezeigt, umfasst die Kopplungsschaltung 110 einen Transformator mit Primärseitenwicklungen L2 und Sekundärseitenwicklungen L1. Der zweite Eingangsanschluss BB' ist mit einer Primärseite L2 des Transformators gekoppelt, der als Kopplungsschaltung 110 fungiert; der erste Eingangsanschluss AA' und der Ausgangsanschluss CC' sind mit einer Sekundärseite L1 des Transformators gekoppelt, der als Kopplungsschaltung 110 fungiert. Die Primärseitenspannung (entsprechend dem zweiten Eingangssignal V2) und der Widerstand R2 werden zur Sekundärseite L1 des Transformators reflektiert oder damit gekoppelt auf der Basis des Windungsverhältnisses oder der Impedanztransformation des Transformators, wie weiter mit Bezug auf 1B erläutert. In dieser Ausführungsform wird folglich das zweite Eingangssignal V2 mit dem Ausgangsanschluss CC' durch die Transformatorkopplungsschaltung 110 gekoppelt.
Eine Frequenzisolationsschaltung ist zwischen den ersten Eingangsanschluss AA' und den zweiten Eingangsanschluss BB' gekoppelt – die Frequenzisolationsschaltung weist eine Frequenzantwort auf, um das erste Eingangssignal V1 zum Ausgangsanschluss CC' auszubreiten, aber zu verhindern, dass sich das zweite Eingangssignal V2 zum ersten Eingangsanschluss AA' ausbreitet. In einigen Ausführungsformen und wie in 1A dargestellt, ist die Frequenzisolationsschaltung durch ein induktives Element des Transformators (wie z. B. die Sekundärseitenwicklung L1) gebildet. In solchen Ausführungsformen weist die Sekundärseitenwicklung L1 eine Induktivität von ungefähr 10–20 µH auf. Ein Blindwiderstand des induktiven Elements L1 bei der Frequenz des ersten Eingangssignals (z. B. bei Gleichspannung) ist ausreichend niedrig, um das erste Eingangssignal V1 zum Ausgangsanschluss CC' auszubreiten. Aber der Blindwiderstand des induktiven Elements bei der Frequenz des zweiten Eingangssignals V2 (z. B. bei ungefähr 1 MHz) ist ausreichend hoch, um zu verhindern, dass sich das zweite Eingangssignal V2 zum ersten Eingangsanschluss AA' ausbreitet. Folglich kann das zweite Eingangssignal V2 mit dem Ausgangsanschluss CC' gekoppelt werden, ohne sich auf den Betrieb einer Vorrichtung (z. B. einer regulierten Leistungsversorgung), die mit dem ersten Eingangsanschluss AA' gekoppelt ist, auszuwirken.
Das Gerät umfasst ferner eine Detektionsschaltung 130, um eine Spannung (Vout) eines Ausgangssignals (Ausgang) am Ausgangsanschluss CC' zu detektieren oder zu bestimmen und auf der Basis von Eigenschaften des Ausgangssignals festzustellen, ob eine Last mit dem Ausgangsanschluss CC' oder mit dem distalen Ende eines Kabels 107 verbunden ist oder nicht. Typische Lastvorrichtungen (wie z. B. Mobiltelefone, Laptops, mobile Rechenvorrichtungen) weisen Eingangsimpedanzen (Eingangswiderstands- und Eingangskapazitätswerte) innerhalb eines bekannten Bereichs auf. Typische Lasten weisen beispielsweise Eingangskapazitäten auf, die im Bereich von 0,1 µF bis 100 µF liegen. Wenn sie mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist, bildet die Lastkapazität zusammen mit dem reflektierten Quellenwiderstand einen Tiefpassfilterpol (wie weiter mit Bezug auf 1C und 5 nachstehend erläutert). Wenn die Frequenz des zweiten Eingangssignals V2 so ausgewählt wird, dass sie ausreichend größer ist als die Frequenz des Pols, dann wird das zweite Eingangssignal V2 durch die Filterreaktion bei der Verbindung der Last ausreichend gedämpft. Ohne die Last wird das zweite Eingangssignal nicht gedämpft. Folglich ergeben sich verschiedene Amplitudenbereiche der Spannungen des resultierenden Ausgangssignals aus der Anwesenheit oder Abwesenheit der Last.
Mit anderen Worten, das Ausgangssignal weist einen ersten Amplitudenbereich (A1, wie in 4 gezeigt) auf, wenn eine Last am Ausgangsanschluss CC' fehlt, und weist einen zweiten Amplitudenbereich (A2, wie in 4 gezeigt), der niedriger ist als der erste Amplitudenbereich, auf, wenn die Last am Ausgangsanschluss CC' vorhanden ist. Die Detektionsschaltung 130 kann den Amplitudenbereich der Ausgangsspannung messen und feststellen, ob eine Last mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist oder nicht. Die Schaltung 130 kann die Wechselspannungskomponenten-Amplitude detektieren, um zu bestimmen, ob die Last vorhanden ist oder nicht. In einer Ausführungsform umfasst die Detektionsschaltung 130 einen Spitzendetektor, einen Schwellendetektor, einen Komparator, einen Instrumentierungsverstärker, ein Multimeter, ein Voltmeter und/oder irgendeine andere geeignete Komponente, die die Ausgangsspannung oder den Amplitudenbereich der Ausgangsspannung misst und wahlweise mit einem Schwellen- oder Referenzwert vergleicht.
Außerdem kann die Detektionsschaltung 130 auch einen Strom (Iout) des Ausgangssignals am Ausgangsanschluss (Ausgang) entsprechend dem zweiten Eingangssignal V2 und eine Phasenbeziehung zwischen der Spannung (Vout) und dem Strom (Iout) des Ausgangssignals entsprechend dem zweiten Eingangssignal V2 bestimmen. In einer Ausführungsform umfasst die Detektionsschaltung 130 einen Strommesser (Amperemeter), ein Multimeter, einen Transimpedanzverstärker, einen Spektralanalysator, ein Oszilloskop und/oder irgendeine andere geeignete Komponente, die in der Lage ist, den Strom, die Spannung und eine Phasenbeziehung zwischen dem gemessenen Strom und der gemessenen Spannung zu bestimmen. Eine Phasenbeziehung zwischen der Spannung und dem Strom des Ausgangssignals hängt von Komponentenwerten der Last 105 ab. Die Detektionsschaltung 130 kann Eigenschaften (Komponentenwerte, Impedanz und so weiter) der Last auf der Basis der gemessenen Phasenbeziehung bestimmen oder berechnen. Für eine reine Widerstandslast wären beispielsweise die Spannung und der Strom des Ausgangssignals phasengleich oder im Wesentlichen phasengleich; für eine rein kapazitive Last wären die Spannung und der Strom des Ausgangssignals phasenverschoben, wobei der Strom der Spannung um eine Phase von im Wesentlichen 90° voreilt; für eine Last mit sowohl Widerstands- als auch kapazitiven Komponenten eilt der Strom des Ausgangssignals der Spannung des Ausgangssignals um einen Wert zwischen 0 und 90° in Abhängigkeit von relativen Werten der Widerstands- und kapazitiven Komponenten voraus.
In solchen Ausführungsformen verwendet die Detektionsschaltung 130 eine Kombination der Phasenbeziehung zwischen dem Strom und der Spannung des Ausgangssignals und eines Maßes der Dämpfung der Spannung des Ausgangssignals, um Eigenschaften der Lastvorrichtung zu bestimmen, falls eine solche als verbunden bestimmt wird. Für einen Widerstandskurzschluss würde die Detektionsschaltung 130 beispielsweise detektieren, dass der Strom und die Spannung phasengleich sind, und den Widerstand der Last (z. B. vollständiger Kurzschluss, halber Kurzschluss, weicher Kurzschluss) auf der Basis eines Werts bestimmen, um den das Ausgangssignal gedämpft wird. Als weiteres Beispiel wären für einen kapazitiven Kurzschluss der Strom und die Spannung phasenverschoben und das Ausmaß der Dämpfung kann verwendet werden, um die Kapazität der Last zu bestimmen.
Alternativ oder zusätzlich kann, wenn das zweite Eingangssignal ein bandbegrenztes Signal (z. B. ein Pseudozufallssignal, ein Breitbandrauschsignal, ein durchlaufenes Sinussignal, ein PSK- oder Phasenumtastsignal und dergleichen) mit mehreren Frequenzen innerhalb eines festgelegten Frequenzbereichs (z. B. zwischen 500 kHz und 5 MHz) ist, die Detektionsschaltung ferner Amplitudenbereiche für jede der mehreren Frequenzen, die das zweite Eingangssignal bilden, bestimmen. Da eine kapazitive Last verschiedene Frequenzen in verschiedenen Ausmaßen dämpfen würde, kann in solchen Ausführungsformen die Detektionsschaltung 130 die relative Dämpfung (z. B. Änderungen der Amplitudenbereiche relativ zu bekannten Referenzamplitudenbereichen, wenn die Last abgetrennt ist) über die verschiedenen Frequenzen vergleichen, um einen Wert der Lastkapazität zu bestimmen.
Die Frequenzisolationsschaltung isoliert ferner eine Quelle (z. B. eine regulierte Leistungsversorgung), die mit dem ersten Eingangsanschluss AA' gekoppelt ist, von der Auswirkung auf einen Signalpfad des zweiten Eingangssignals V2. Da die Isolationskomponente den ersten Eingangsanschluss AA' im Wesentlichen vom Signalpfad des zweiten Eingangssignals V2 abkoppelt, ist folglich eine Amplitude oder ein Amplitudenbereich des Ausgangssignals (Ausgang) im Wesentlichen invariant für Eigenschaften einer Quellenvorrichtung, die mit dem ersten Eingangsanschluss AA' gekoppelt ist. Mit anderen Worten, die Anwesenheit einer Quellenvorrichtung am ersten Eingangsanschluss AA' kann für Zwecke der Analyse eines Signalpfades des zweiten Eingangssignals V2 vernachlässigt werden.
1B stellt Ersatzdarstellungen von Unterkomponenten 120 der ersten Konfiguration 100 von 1A gemäß einer Ausführungsform dar.
Wie in 1B gezeigt, weist die Kopplungsschaltung (Transformator) 110 der ersten Konfiguration 100 ein k:1 – Windungsverhältnis zwischen der Primärseite (L2) und der Sekundärseite (L1) auf – wobei eine Induktivität der Primärwicklung (L2) L ist und eine Induktivität der Sekundärwicklung (L1) k·L ist. Die Induktivität der Sekundärwicklung (L1) ist so ausgewählt, dass sie einen geeignet großen Wert (wie z. B. 10–20 µH) aufweist, so dass der Blindwiderstand der Sekundärwicklung bei einer Frequenz des zweiten Eingangssignals V2 ausreichend groß ist, um das zweite Eingangssignal V2 von der Ausbreitung zum ersten Eingangsanschluss AA' zu dämpfen. Daher können in der Ersatzschaltungsdarstellung für das zweite Eingangssignal V2 der Induktor L1 sowie Komponenten, die zwischen dem Induktor L1 und dem ersten Eingangsanschluss AA' verbunden sind, ignoriert werden, wie in 1B dargestellt.
Auf der Basis des Verhältnisses der Primärwindungen zu den Sekundärwindungen des Transformators, das k:1 ist, ist ferner das zweite Eingangssignal V2, wenn es zur Sekundärseite L1 reflektiert wird, gegeben als: V2’ = V2/k (1)
Ebenso ist der Primärseitenwiderstand R2, wenn er zur Sekundärseite reflektiert wird, gegeben als: R2’ = R2/k² (2)
1C stellt eine Ersatzdarstellung der ersten Konfiguration 100 von 1A für den zweiten Eingangssignalpfad mit der Ersatzschaltung von Unterkomponenten 120 (in 1B gezeigt) gemäß einer Ausführungsform dar.
Wie vorstehend mit Bezug auf 1A und 1B erläutert, isoliert die Isolationskomponente L1 die erste Eingangssignalquelle V1 von der Auswirkung auf einen Signalpfad des zweiten Eingangssignals V2, indem dem zweiten Eingangssignal eine hohe Impedanz präsentiert wird. Folglich wird die erste Eingangsquelle V1 beseitigt, wenn eine Ersatzschaltungsdarstellung eines Signalpfades für das zweite Eingangssignal betrachtet wird. Wie mit Bezug auf 1B erläutert, ist V2' das zweite Eingangssignal, das zur Sekundärseite des Transformators 110 reflektiert wird. R2' ist der Primärseitenwiderstand R2, der zur Sekundärseite des Transformators 110 reflektiert wird.
Die Übertragungsfunktion G(s), die für das Ausgangssignal (Vout) in Bezug auf den zweiten Eingang (V2') berechnet wird, ist mathematisch in der nachstehenden Gleichung 3 beschrieben:
Die Gleichung (3) kann zur nachstehenden Gleichung (4) vereinfacht werden:
Die Übertragungsfunktion G(s) ist durch zwei Pole und eine Null gekennzeichnet. Der erste Pol wird aufgrund der Komponenten R2' und C3, der zweite Pol aufgrund der Komponenten R2' und C2 gebildet und die Null wird aufgrund der Komponenten R3 und C3 gebildet.
Die Übertragungsfunktion G2(s), die für das zweite Ausgangssignal (Vout) in Bezug auf den zweiten Eingang (V2') berechnet wird, kann mathematisch vereinfacht oder genähert werden, wie in der nachstehenden Gleichung (5) beschrieben, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein einzelner Pol aufgrund der Komponenten R2' und C3 gebildet wird.
Frequenzantworten (Amplituden- und Phasenantworten) der Übertragungsfunktionen G(s) und G2(s) werden mit Bezug auf 5 weiter dargestellt und erläutert.
Kapazitiv gekoppelte Eingangssignalquelle
2A stellt eine zweite Konfiguration 200 eines Geräts zum Detektieren einer Verbindung einer Lastvorrichtung an einem Ausgangsanschluss gemäß einer Ausführungsform dar.
Wie in 2A gezeigt, umfasst die zweite Konfiguration 200 des Geräts einen ersten Eingangsanschluss AA', einen zweiten Eingangsanschluss BB' und einen Ausgangsanschluss CC'.
Die Konfiguration 200 kann sich verschiedene Attribute mit der Konfiguration 100 teilen. Die Konfiguration 200 umfasst beispielsweise einen ersten Eingangsanschluss AA', um ein erstes Eingangssignal (V1) zu empfangen, einen Ausgangsanschluss CC', der mit einer Last (z. B. der Last 205) verbunden werden soll, einen zweiten Eingangsanschluss BB', der zwischen den ersten Eingangsanschluss AA' und den Ausgangsanschluss CC' gekoppelt ist, um ein zweites Eingangssignal (V2) zu empfangen. Die Last 205 kann mit dem Ausgang CC' durch ein Kabel 207 (wie z. B. eine Vbus-Leitung eines USB-Kabels) verbunden sein. Das Kabel 207 kann eine Kapazität (C2) und einen Widerstand (R3) aufweisen.
Die Konfiguration 200 von 2A umfasst auch eine Kopplungsschaltung, um das zweite Eingangssignal (V2) mit dem Ausgangsanschluss CC' zu koppeln. Aber ein Unterschied zwischen der Konfiguration 100 von 1A und der Konfiguration 200 von 2A besteht darin, dass die Kopplungsschaltung von 2A, die das zweite Eingangssignal (V2) mit dem Ausgangsanschluss CC' koppelt, ein Kondensator (z. B. der Kondensator C5, der in 2A gezeigt ist) ist.
Ferner umfasst die Konfiguration 200 von 2A auch eine Frequenzisolationsschaltung, die zwischen den ersten Eingangsanschluss AA' und den zweiten Eingangsanschluss BB' gekoppelt ist, wobei die Frequenzisolationsschaltung eine Frequenzantwort aufweist, um das erste Eingangssignal (V1) zum Ausgangsanschluss CC' auszubreiten, aber zu verhindern, dass sich das zweite Eingangssignal (V2) zum ersten Eingangsanschluss AA' ausbreitet. In der Konfiguration 200 von 2A bildet ein Induktor L1 die Frequenzisolationsschaltung. Ein induktiver Blindwiderstand des Induktors L1 bei einer Frequenz des zweiten Eingangssignals V2 ist ausreichend hoch, um das zweite Eingangssignal V2 von der Ausbreitung zum ersten Eingangsanschluss AA' zu blockieren oder zu dämpfen. Aber der induktive Blindwiderstand des Induktors L1 bei einer Frequenz des ersten Eingangssignals V1 ist ausreichend niedrig, um das erste Eingangssignal zum Ausgangsanschluss CC' auszubreiten oder durchzulassen.
Eine Detektionsschaltung 230 ist vorgesehen, um eine Spannung (Vout) eines Ausgangssignals am Ausgangsanschluss CC' zu detektieren oder zu bestimmen, wobei das Ausgangssignal einen ersten Amplitudenbereich aufweist, wenn eine Last am Ausgangsanschluss fehlt, und einen zweiten Amplitudenbereich, der niedriger ist als der erste Amplitudenbereich, aufweist, wenn die Last am Ausgangsanschluss vorhanden ist, wie mit Bezug auf 4 erläutert.
2B stellt eine Ersatzdarstellung der zweiten Konfiguration von 2A für das zweite Eingangssignal gemäß einer Ausführungsform dar.
Die Übertragungsfunktion G3(s), die für die Ersatzschaltung von 2A für das Ausgangssignal Vout in Bezug auf den zweiten Eingang (V2) berechnet wird, ist nachstehend mathematisch beschrieben:
Die Gleichung (6) kann zur nachstehenden Gleichung (7) vereinfacht werden:
Die Übertragungsfunktion G3(s) ist durch zwei Pole und eine Null gekennzeichnet. Der erste Pol wird aufgrund der Komponenten R2 und C3, der zweite Pol aufgrund der Komponenten R2 und C2 gebildet und die Null wird aufgrund der Komponenten R3 und C3 gebildet.
Die Frequenzantwort (Amplituden- und Phasenantwort) der Übertragungsfunktionen G3(s) wird mit Bezug auf 6 weiter dargestellt und erläutert.
Die obige Analyse nimmt an, dass der Induktor L1 geeignet hoch ist und daher den zweiten Eingang (V2) im Wesentlichen vollständig von der Ausbreitung zum ersten Eingangsanschluss AA' isoliert und eine Quellenvorrichtung (oder beliebige Eigenschaften der Quellenvorrichtung wie z. B. die Ausgangsimpedanz), die mit dem ersten Eingangsanschluss AA' gekoppelt ist, von der Auswirkung auf das zweite Eingangssignal V2 isoliert oder daran hindert. In der Praxis kann dies jedoch nicht der Fall sein. Unter solchen Umständen wird der Effekt von L1 auf die Übertragungsfunktion G4(s) mathematisch in der nachstehenden Gleichung 8 dargestellt, wobei G4(s) für die Schaltung von 2A für das Ausgangssignal Vout in Bezug auf den zweiten Eingang (V2) berechnet wird, wobei L1 berücksichtigt wird:
Die Übertragungsfunktion G4(s) stellt einen Resonanzkreis dar. 7A und 7B stellen die Frequenzantwort (Amplitude und Phase) der Übertragungsfunktion G4(s) für die Konfiguration 200 mit (7A) und ohne (7B) verbundene Lastkapazität C3 dar.
3 stellt eine Beispielanwendung des Lastdetektionsgeräts (von 1A oder 2A) in einem Leistungsumsetzer 300 gemäß einer Ausführungsform dar.
Der Leistungsumsetzer 300 ist in 3 als Wechselspannungs-Gleichspannungs-Rücklauf(Flyback)-Schaltmodus-Leistungsversorgung dargestellt, aber andere Topologien von Leistungsumsetzern können gemäß dem Lastdetektionsgerät und anderen hier beschriebenen Lehren entworfen werden. Der Leistungsumsetzer 300 umfasst drei Hauptabschnitte, d. h. eine Eingangsstufe 302, eine Leistungsstufe 304 und eine sekundäre Stufe 310.
Die Eingangsstufe 302 liefert eine Eingangsspannung zur Leistungsstufe 304. In einer Ausführungsform umfasst die Eingangsstufe 302 einen Brückengleichrichter (nicht dargestellt), der mit einer Wechselspannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden ist und eine gleichgerichtete, aber unregulierte Eingangsgleichspannung ausgibt. Die Eingangsspannung wird an den Versorgungsspannungskontakt Vcc der Steuereinheit 306 und an die Primärwicklung des Leistungstransformators T1 angelegt.
Die Leistungsstufe 304 umfasst einen Leistungstransformator T1, eine Steuereinheit 306 und einen Schalter 308. Der Leistungstransformator T1 umfasst eine Primärwicklung 305, eine Sekundärwicklung 307 und eine Hilfswicklung 309. Die Steuereinheit 306 hält die Ausgangsregulierung über die Steuerung der EIN- und AUS-Zustände des Leistungsschalters 308 über ein Steuersignal, das an dem AUSGANGS-Kontakt der Steuereinheit 306 ausgegeben wird, aufrecht. Die Steuereinheit 306 kann irgendeine von einer Anzahl von bekannten Modulationstechniken, wie z. B. Impulsbreitenmodulation (PWM) oder Impulsfrequenzmodulation (PFM) und/oder ihre Kombinationen, verwenden, um die EIN- und AUS-Zustände und Tastverhältnisse des Leistungsschalters 308 zu steuern. In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit 306 eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC).
Das von der Steuereinheit 306 erzeugte Steuersignal (z. B. am Ausgangskontakt) steuert einen Steueranschluss des Leistungsschalters 308 an (hier alternativ als Schalter 308 bezeichnet). Wie in 3 dargestellt, ist der Schalter 308 in diesem Beispiel ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (alternativ hier als MOSFET bezeichnet) vom n-Typ, so dass der Steueranschluss der Gateanschluss (G-Anschluss) des Schalters 308 ist. Der Drain (D) des Schalters 308 ist mit der Primärwicklung 305 in Reihe geschaltet und die Source (S) des Schalters 308 ist mit dem I_SENSE-Kontakt der Steuereinheit 306 und mit Masse über einen Erfassungswiderstand 311 verbunden. In anderen Ausführungsformen kann der Schalter 308 ein anderer Typ von Transistor wie z. B. ein Bipolar-Sperrschichttransitor (BJT) oder irgendeine andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist, einen Stromkreis in einer gesteuerten Weise zu öffnen oder zu schließen. Der Massekontakt (Gnd) der Steuereinheit 306 ist mit Masse verbunden.
Der I_SENSE-Kontakt erfasst einen Primärseitigen Strom, der durch die Primärwicklung 305 und den Schalter 308 fließt, in Form einer analogen Spannung über dem Erfassungswiderstand 311. In einigen Ausführungsformen ermöglicht das Erfassen des primärseitigen Stroms der Rücklaufschaltleistung am I_SENSE-Kontakt des Umsetzers 306 eine zyklusweise Spitzenstromsteuerung sowie eine genaue Konstantstromsteuerung für den Ausgangsstrom durch die Last.
Die sekundäre Stufe 310 des Leistungsumsetzers 300 umfasst die Sekundärwicklung 307, eine Diode D1. Die Diode D1 funktioniert als Ausgangsgleichrichter. In einigen Ausführungsformen ist ein Kondensator C am Ausgang des Leistungsumsetzers vorgesehen und funktioniert als Ausgangsfilter. Die resultierende regulierte Spannung (V1) wird der Last 105 zugeführt.
Um zu detektieren, ob die Last 105 mit dem Leistungsumsetzer 300 verbunden ist oder nicht, ist das Lastdetektionsgerät 370 mit der sekundären Stufe 310 des Leistungsumsetzers 300 gekoppelt, wie in 3 gezeigt. Das Lastdetektionsgerät 370 könnte als erste Konfiguration 100, die mit Bezug auf 1A beschrieben wurde, oder als zweite Konfiguration 200, die mit Bezug auf 2A beschrieben wurde, konfiguriert sein. Der erste Eingangsanschluss AA' des Lastdetektionsgeräts 370 koppelt mit der sekundären Stufe 310 des Leistungsumsetzers und die Last 105 kann mit dem Ausgangsanschluss CC' des Lastdetektionsgeräts 370 koppeln.
In einigen Ausführungsformen und wie in 3 dargestellt, verwendet der Leistungsumsetzer 300 eine Primärseitenerfassung, um die Spannung über der Last 105 abzuschätzen. Die Ausgangsspannung über der Sekundärwicklung 307 wird beispielsweise durch die Spannung über einer Hilfswicklung 309 gespiegelt, die in den V_SENSE-Kontakt der Steuereinheit 306 eingegeben wird. Diese gespiegelte Spannung wird als Ersatz oder Stellvertreter für die Spannung über der Last verwendet. Folglich kann die Ausgangsspannung (Vout), die am Ausgangsanschluss CC' erzeugt wird, wie mit Bezug auf 1A und 2A beschrieben, auf der Primärseite über den Eingang in den V_SENSE-Kontakt der Steuereinheit 306 erfasst werden, wie durch die Spannung über einer Hilfswicklung 309 gespiegelt. In solchen Ausführungsformen kann die Detektionsschaltung 130 von 1A oder die Detektionsschaltung 230 von 2A innerhalb der Steuereinheit 306 vorgesehen sein oder kann ansonsten auf der Primär- oder Hilfsseite des Leistungsumsetzers 300 vorgesehen sein.
In solchen Ausführungsformen liefert typischerweise die Spannung am V_SENSE-Kontakt auch eine Rückkopplung zur Steuereinheit 306, die die Spannung an der Sekundärwicklung 307 für die Verwendung beim Steuern des Betriebs des Schalters 308 angibt. Die Erfassung der Ausgangsspannung (z. B. der Spannung über der Last), wie über der Hilfswicklung 309 am V_SENSE-Kontakt gespiegelt, ermöglicht eine genaue Ausgangsspannungsregulierung, während die elektrische Isolation zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Transformators T1 aufrechterhalten wird.
4 stellt eine simulierte Spannungs-Zeit-Wellenform, die am Ausgangsanschluss CC' des Geräts von 1A oder 2A gemessen wird, wobei die Wellenform in Reaktion auf eine abwechselnde Verbindung und Entfernung der Last erzeugt wird, gemäß einer Ausführungsform dar.
Die Last wird beispielsweise während der Zeitintervalle T1 und T3 vom Gerät getrennt, was dazu führt, dass die Spannung des Ausgangssignals einen ersten Amplitudenbereich (A1) aufweist. Während der Zeitintervalle T2 und T4 wird die Last mit dem Gerät verbunden, was dazu führt, dass die Spannung des Ausgangssignals einen zweiten Amplitudenbereich (A2) aufweist. Der zweite Amplitudenbereich (A2) ist um einen Unterscheidungsindex niedriger als der erste Amplitudenbereich (A1), der von einer Vielfalt von Faktoren abhängt, einschließlich Eigenschaften (z. B. Komponentenwerten) der Last und einer Frequenz des zweiten Eingangssignals. Für einen festgelegten Bereich von Lastkomponentenwerten wird eine Frequenz des zweiten Eingangssignals ausgewählt, um sicherzustellen, dass der Unterscheidungsindex zwischen dem zweiten Amplitudenbereich und dem ersten Amplitudenbereich größer ist als ein gewünschter Unterscheidungsschwellenwert. Für eine typische kapazitive Last im Bereich von 0,1 µF bis 100 µF kann eine Frequenz des zweiten Eingangssignals V2 so ausgewählt werden, dass der erste Amplitudenbereich A1 zwischen drei- und zehnmal größer ist als der zweite Amplitudenbereich A2. In einigen Ausführungsformen wird die Frequenz des zweiten Eingangssignals V2 so ausgewählt, dass sie einen Wert zwischen 500 kHz und 5 MHz aufweist. Das zweite Eingangssignal V2 ist beispielsweise ein sinusförmiges Signal mit 1 MHz.
Da üblicherweise verwendete Lastvorrichtungen Eingangslastkapazitäten aufweisen, die, wenn sie mit dem Ausgangsanschluss CC' verbunden sind, das zweite Ausgangssignal um einen geeigneten hohen Unterscheidungsindex dämpfen, wird das zweite Ausgangssignal ferner von der Ausbreitung in die Lastvorrichtung (z. B. in ein Mobiltelefon, das mit dem Gerät über ein USB-Kabel für Aufladezwecke verbunden ist) gedämpft. Aber das erste Eingangssignal (V1) ist üblicherweise eine regulierte Ausgangsgleichspannung einer Leistungsversorgungsschaltung (wie mit Bezug auf 3 beschrieben). Daher ist das regulierte Gleichspannungssignal, das am Ausgangsanschluss CC' erzeugt wird, das dem ersten Eingangssignal entspricht, durch die Verbindung der Last oder durch Eigenschaften der Last im Wesentlichen unverändert. Folglich kann die Last durch das regulierte Gleichspannungssignal gespeist werden, ohne durch das zweite Ausgangssignal beeinflusst zu werden.
5 stellt Frequenzantwortdiagramme (Amplituden- und Phasenantworten) einer Übertragungsfunktion der ersten Konfiguration (1A), wenn sie mit einer kapazitiven Last verbunden ist, die am Ausgangsanschluss gemessen wird, als Funktion der Frequenz des eingespeisten zweiten Eingangssignals gemäß einer Ausführungsform dar.
Mit Bezug auf die Ersatzschaltungsdarstellung der Konfiguration 100, die mit Bezug auf 1C beschrieben wurde, sind Verstärkungs- und Phasenantworten der Übertragungsfunktionen G(s) (Gleichung 4) und G2(s) (Gleichung 5) für vordefinierte Komponentenwerte von R2', C2, R3 und C3 wie in 5 gezeigt. In der Darstellung von 5 entsprechen für Komponentenwerte von R2' = 20 Ohm, C2 = 5 pF, R3 = 0,3 Ohm und C3 = 0,1 µF die Amplitudenantwort 510-a und die Phasenantwort 520-a der Übertragungsfunktion G(s) und die Amplitudenantwort 510-b und die Phasenantwort 520-b entsprechen der Übertragungsfunktion G2(s).
Die Frequenz F1 entspricht einem ersten Pol für beide Übertragungsfunktionen G(s) und G2(s), der durch Komponenten R2' und C3 gebildet wird. Die Frequenz F2 entspricht einer Null für die Übertragungsfunktion G(s) infolge der Komponenten R3 und C3. Die Frequenz F3 entspricht einem zweiten Pol für die Übertragungsfunktion G(s) aufgrund der Komponenten R2' und C2. Die Null bei der Frequenz F2 begrenzt den Unterscheidungsindex zwischen dem Ausgangssignal-Amplitudenbereich mit und ohne Last. Dies liegt daran, dass infolge der Null, die durch R3 und C3 gebildet wird, keine zusätzliche Signaldämpfung durch Erhöhen der Frequenz des zweiten Eingangssignals V2 über die Frequenz F2 hinaus erreicht werden kann. In einigen Ausführungsformen wird eine Frequenz des zweiten Eingangssignals V2 so ausgewählt, dass sie geeignet größer ist als die Frequenz F1, um die gewünschte Dämpfung in Gegenwart der Last (C3) zu schaffen und den gewünschten Unterscheidungsindex zu erreichen. Die Frequenz des zweiten Eingangssignals V2 ist wahlweise geringer als die Frequenz F2, da das Erhöhen der Frequenz über F2 hinaus nicht zu einer Verbesserung des Unterscheidungsindex führt. Eine Frequenz von 1 MHz (größer als F1) kann beispielsweise ausgewählt werden, die durch eine Lastkapazität C3 geeignet gedämpft werden würde, um eine gewünschte Differenz im Amplitudenbereich mit und ohne C3 vorzusehen.
6 stellt Frequenzantwortdiagramme (Amplituden- und Phasenantworten) einer Übertragungsfunktion der zweiten Konfiguration (2A), wenn sie mit einer kapazitiven Last verbunden ist, als Funktion der Frequenz des eingespeisten zweiten Eingangssignals V2 gemäß einer Ausführungsform dar.
Mit Bezug auf die Ersatzschaltungsdarstellung der Konfiguration 200, die mit Bezug auf 2B beschrieben wurde, sind Verstärkungs- und Phasenantworten der Übertragungsfunktionen G3(s) (Gleichungen 6 und 7) für vordefinierte Komponentenwerte von R2, C2, C5, R3 und C3 in 6 gezeigt. In der Darstellung von 6 entsprechen für Komponentenwerte von R2 = 2 kOhm C2 = 5 pF, C5 = 0,1 µF, R3 = 0,3 Ohm und C3 = 0,1 µF die Amplitudenantwort 610 und die Phasenantwort 620 der Übertragungsfunktion G3(s).
Die Frequenz F1 entspricht einem ersten Pol für die Übertragungsfunktion G3(s), der durch die Komponenten R2 und C3 gebildet wird. Die Frequenz F2 entspricht einer Null für die Übertragungsfunktion G3(s) infolge der Komponenten R3 und C3. Die Frequenz F3 entspricht einem zweiten Pol für die Übertragungsfunktion G(s) aufgrund der Komponenten R2' und C2. Die Null bei der Frequenz F2 begrenzt den Unterscheidungsindex zwischen dem Ausgangssignal-Amplitudenbereich, der mit und ohne verbundene Last erreicht werden kann.
Im Vergleich zu den Frequenzantworten 510-a und 510-b in 5 tritt jedoch der niedrigere Frequenzpol (F1) bei einer niedrigeren Frequenz für die Konfiguration 200 als für die Konfiguration 100 für denselben Quellenwiderstand (R2) auf. Dies liegt teilweise daran, dass der reflektierte Quellenwiderstand (R2' = R2/k², wie in Gleichung 2 beschrieben) der ersten Konfiguration 100 niedriger ist als der tatsächliche Quellenwiderstand (R2) der zweiten Konfiguration 200. In der zweiten Konfiguration kann daher ein größerer Bereich von Frequenzen oder eine niedrigere Frequenz des zweiten Eingangssignals V2 verwendet werden, um einen geeigneten Unterscheidungsindex bereitzustellen, im Vergleich zur ersten Konfiguration 100 für denselben Quellenwiderstand R2.
7A und 7B stellen alternative Darstellungen von Frequenzantworten (Amplituden- und Phasenantworten) einer Übertragungsfunktion der zweiten Konfiguration (2A) mit bzw. ohne Last gemäß einer anderen Ausführungsform dar.
Mit Bezug auf die Schaltungsdarstellung der Konfiguration 200, die mit Bezug auf 2A beschrieben wurde, ohne Vernachlässigen des Induktors L1 bei der Analyse der Schaltungsübertragungsfunktion sind Verstärkungs- und Phasenantworten der Übertragungsfunktionen G4(s), die für die Schaltung von 2A für das Ausgangssignal Vout in Bezug auf den zweiten Eingang (V2) berechnet werden, wobei L1 berücksichtigt wird (Gleichung 8), für vordefinierte Komponentenwerte von R2, C2, C5, R3, L1 und C3 wie in 7A–7B gezeigt. In der Darstellung von 7A entsprechen für Komponentenwerte von R2 = 2 kOhm, C2 = 5 pF, C5 = 0,1 µF, R3 = 0,3 Ohm und L1 = 10 µH die Amplitudenantwort 710-a und die Phasenantwort 720-a der Übertragungsfunktion G4(s) für eine Lastkapazität von C3 = 0,1 µF. In der Darstellung von 7B entsprechen für dieselben Komponentenwerte von R2, C2, C5, R3 und L1 die Amplitudenantwort 710-b und die Phasenantwort 720-b der Übertragungsfunktion G4(s) für eine vernachlässigbare Lastkapazität von C3 ≈ 0 F.
Wie aus einem Vergleich der Amplitudenantworten 710-a und 710-b zu sehen, arbeitet die Schaltung von 2A als Resonanzkreis, der durch eine Resonanzfrequenz (ω₀), eine Bandbreite (Δω) und eine Verstärkung gekennzeichnet ist. In der Konfiguration von 2A variieren die Resonanzfrequenz (ω₀) und die Bandbreite (Δω) des Resonanzkreises invers mit der Kapazität (C3); die Verstärkung des Resonanzkreises steht direkt mit der Kapazität (C3) in Beziehung. Für einen höheren Lastkapazitätswert sind folglich die Resonanzfrequenz (ω₀) und die Bandbreite (Δω) der Antwort 710-a von 7A niedriger als jene der Antwort 710-b von 7B. Andererseits ist die Verstärkung der Antwort 710-a von 7A größer als jene der Antwort 710-b von 7B bei einer Frequenz von 1 MHz des zweiten Eingangssignals V2.
Auf der Basis der verschiedenen Eigenschaften der Frequenzantworten der Schaltung mit und ohne Lastkapazität kann eine geeignete Frequenz des eingespeisten zweiten Eingangssignals ausgewählt werden, um einen gewünschten Unterscheidungsindex zwischen dem gemessenen Ausgangssignal mit und ohne Last zu erreichen. In der Darstellung von 7A und 7B variiert beispielsweise die Verstärkung der Schaltung zwischen ungefähr –60 dB (7A) mit der Last und –30 dB ohne Last (7B).
Beim Lesen dieser Offenbarung erkennt der Fachmann auf dem Gebiet noch zusätzliche alternative Konstruktionen für das Lastdetektionsgerät. Obwohl spezielle Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Offenbarung erläutert und beschrieben wurden, ist folglich die Offenbarung selbstverständlich nicht auf die genaue Konstruktion und die Komponenten, die hier offenbart sind, begrenzt und verschiedene Modifikationen, Änderungen und Variationen, die für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich sind, können in der Anordnung, im Betrieb und in den Details der Verfahren und Geräte der vorliegenden Offenbarung, die hier offenbart sind, durchgeführt werden, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, abzuweichen.

Claims

Vorrichtung, die umfasst: einen Ausgangsanschluss, der mit einer Last verbunden werden soll; einen ersten Eingangsanschluss, um ein erstes Eingangssignal zu empfangen; einen zweiten Eingangsanschluss, der zwischen den ersten Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss gekoppelt ist, wobei der zweite Eingangsanschluss ein zweites Eingangssignal empfangen soll; eine Kopplungsschaltung, um das zweite Eingangssignal mit dem Ausgangsanschluss zu koppeln; eine Frequenzisolationsschaltung, die zwischen den ersten Eingangsanschluss und den zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist, wobei die Frequenzisolationsschaltung eine Frequenzantwort aufweist, um das erste Eingangssignal zum Ausgangsanschluss durch zu lassen, aber zu verhindern, dass sich das zweite Eingangssignal zum ersten Eingangsanschluss ausbreitet; und eine Detektionsschaltung, um eine Spannung eines Ausgangssignals am Ausgangsanschluss zu bestimmen, wobei das Ausgangssignal einen ersten Amplitudenbereich aufweist, wenn eine Last am Ausgangsanschluss abwesend ist, und einen zweiten Amplitudenbereich, der niedriger ist als der erste Amplitudenbereich, aufweist, wenn die Last am Ausgangsanschluss vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kopplungsschaltung einen Transformator umfasst, wobei der zweite Eingangsanschluss mit einer Primärseite des Transformators gekoppelt ist, der erste Eingangsanschluss und der Ausgangsanschluss mit einer Sekundärseite des Transformators gekoppelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kopplungsschaltung einen Kondensator umfasst, der den zweiten Eingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss koppelt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Frequenzisolationsschaltung ein induktives Element des Transformators umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Frequenzisolationsschaltung ein Induktor ist, der mit dem zweiten Eingangsanschluss über die Kopplungsschaltung gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Amplitudenbereich zwischen drei- und zehnmal größer ist als der zweite Amplitudenbereich.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Eingangssignal im Wesentlichen ein Gleichspannungssignal ist und das zweite Eingangssignal eine Frequenz von nicht weniger als 1 MHz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das zweite Eingangssignal ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz zwischen 500 kHz und 5 MHz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das zweite Eingangssignal ein bandbegrenztes Signal mit mehreren Frequenzen zwischen 500 kHz und 5 MHz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Detektionsschaltung ferner Amplitudenbereiche für jede der mehreren Frequenzen des zweiten Eingangssignals bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektionsschaltung ferner einen Strom des Ausgangssignals am Ausgangsanschluss und eine Phasenbeziehung zwischen der Spannung und dem Strom des Ausgangssignals bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Eingangssignal eine regulierte Ausgangsspannung einer Leistungsversorgungsschaltung ist.
Verfahren, das umfasst: Empfangen eines ersten Eingangssignals an einem ersten Eingangsanschluss; Einspeisen eines zweiten Eingangssignals an einem zweiten Eingangsanschluss, wobei der zweite Eingangsanschluss zwischen den ersten Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss gekoppelt ist und das zweite Eingangssignal durch eine Frequenzisolationsschaltung an der Ausbreitung zum ersten Eingangsanschluss gehindert wird; Detektieren einer Spannung eines Ausgangssignals am Ausgangsanschluss in Reaktion auf das eingespeiste zweite Eingangssignal; in Reaktion darauf, dass ein Amplitudenbereich der Spannung niedriger ist als ein Schwellenamplitudenbereich, Feststellen, dass eine Lastvorrichtung am Ausgangsanschluss verbunden ist; und in Reaktion darauf, dass der Amplitudenbereich der Spannung größer ist als der festgelegte Schwellenwert, Feststellen, dass eine Lastvorrichtung nicht am Ausgangsanschluss verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst: Detektieren eines Stroms des Ausgangssignals am Ausgangsanschluss in Reaktion auf das eingespeiste zweite Eingangssignal; Bestimmen einer Phasenbeziehung zwischen dem Strom und der Spannung des Ausgangssignals am Ausgangsanschluss; und Bestimmen von Eigenschaften der Lastvorrichtung auf der Basis der Phasenbeziehung.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das zweite Eingangssignal eine erste und eine zweite Frequenz umfasst, wobei das Verfahren ferner umfasst: Bestimmen eines ersten Amplitudenbereichs des Ausgangssignals für die erste Frequenz und eines zweiten Amplitudenbereichs des Ausgangssignals für die zweite Frequenz; Vergleichen des ersten Amplitudenbereichs mit einer ersten Referenz, um ein erstes Maß der Dämpfung zu erhalten, und des zweiten Amplitudenbereichs mit einer zweiten Referenz, um ein zweites Maß der Dämpfung zu erhalten; und Bestimmen von Eigenschaften der Lastvorrichtung auf der Basis eines Vergleichs des ersten und des zweiten Maßes der Dämpfung.