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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation eines Masseversatzes.
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Aus dem Stand der Technik sind, wie in der
DE 10 2005 015 443 A1 beschrieben, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose von elektrischen Leitungssträngen in Fahrzeugen zum Ermitteln des Masseversatzes bekannt. In dem Verfahren werden wenigstens zwei Steuergeräte mit gleicher Betriebsspannung betrieben, wobei die Steuergeräte mit einem Massepunkt des Fahrzeuges verbunden sind und über ein Mittel zum Lesen ihrer Versorgungsspannung verfügen. Zur Diagnose der Leitungsstränge des Fahrzeuges werden die Versorgungsspannungen der Steuergeräte, die an den gleichen Massepunkt angeschlossen sind, ausgelesen und es erfolgt eine Aussage über die Qualität der Masseanbindung der Leitungsstränge durch den Vergleich der gemessenen Werte der Versorgungsspannungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Kompensation eines Masseversatzes anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Kompensation eines Masseversatzes mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kompensation eines Masseversatzes zwischen einer elektrischen Energieversorgungseinheit und einer mit der elektrischen Energieversorgungseinheit über ein Verbindungskabel verbundenen Anschlussbox zum Anschluss eines Endgeräts über ein Anschlusskabel umfasst einen Operationsverstärker zwischen einem Massepotential der Anschlussbox und einem Massepotential der elektrischen Energieversorgungseinheit zum Vergleich des Massepotentials der Anschlussbox mit dem Massepotential der elektrischen Energieversorgungseinheit und zur Bereitstellung des Massepotentials der Anschlussbox für die elektrische Energieversorgungseinheit.
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Mittels der erfindungsgemäßen Lösung wird das Massepotential der Anschlussbox mit dem Massepotential der elektrischen Energieversorgungseinheit verglichen und der elektrischen Energieversorgungseinheit wird das Massepotential der Anschlussbox bereitgestellt, d. h. ein Bezugspotential der elektrischen Energieversorgungseinheit, insbesondere einer Steuereinheit der elektrischen Energieversorgungseinheit, wird bezüglich des durch das Verbindungskabel zwischen elektrischer Energieversorgungseinheit und Anschlussbox verursachten Masseversatzes nachgeführt.
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Die Vorrichtung ist insbesondere für eine USB-Energieversorgungsanordnung (USB = Universal Serial Bus), insbesondere für eine USB-Typ-C-Energieversorgungsanordnung, besonders vorteilhaft, da mittels der erfindungsgemäßen Lösung entsprechende Anforderungen einer Spezifikation bei hohen Ladeströmen, insbesondere einer USB Power Delivery, USB 2.0 und USB-Typ-C Spezifikation, erfüllt werden können.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird insbesondere eine dezentrale spezifikationskonforme Integration von Komponenten der USB-Energieversorgungsanordnung, insbesondere von USB Power Delivery Komponenten, insbesondere in ein Fahrzeug ermöglicht. Dadurch werden eine Bauraumoptimierung, eine Komponentenanordnungsoptimierung und eine Wirkungsgradoptimierung erreicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine elektrische Energieversorgungsanordnung ohne Kompensation eines Masseversatzes,
- 2 schematisch einen Masseversatz zwischen einer elektrischen Energieversorgungseinheit und einem Endgerät bei der elektrischen Energieversorgungsanordnung gemäß 1,
- 3 schematisch ein Datensignal, das zwischen einem als elektrische Energieversorgungseinheit ausgebildeten Sender und einem als Endgerät ausgebildeten Empfänger durch den Masseversatz bei der elektrischen Energieversorgungsanordnung gemäß 1 in seinem Bezugspotential verschoben ist,
- 4 schematisch eine elektrische Energieversorgungsanordnung mit einer Kompensation eines Masseversatzes,
- 5 schematisch ein Masseversatz zwischen einer elektrischen Energieversorgungseinheit und einem Endgerät bei der elektrischen Energieversorgungsanordnung gemäß 4, und
- 6 schematisch ein Datensignal zu einem nachgeführten Bezugspotential und zu einem Massepotential am Endgerät bei der elektrischen Energieversorgungsanordnung gemäß 4.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielsweise in einem Fahrzeug installierten elektrischen Energieversorgungsanordnung 1, insbesondere einer USB-Energieversorgungsanordnung, insbesondere einer USB-Typ-C-Energieversorgungsanordnung, wobei hier keine Kompensation eines Masseversatzes U_GNDshift erfolgt.
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Die elektrische Energieversorgungsanordnung 1 umfasst eine elektrische Energieversorgungseinheit 2, insbesondere ein Ladegerät, auch als USB-Ladegerät oder USB-Charger bezeichnet, d. h. insbesondere eine USB-Energieversorgungseinheit, welche einen Gleichspannungswandler 3, auch als DC/DC-Wandler bezeichnet, und eine Steuereinheit 4 aufweist, auch als Power Delivery Controller bezeichnet. Diese elektrische Energieversorgungseinheit 2 ist über ein Verbindungskabel 5, auch als Adapterkabel bezeichnet, mit einer Anschlussbox 6 verbunden, auch als Breakout Box bezeichnet.
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Die Anschlussbox 6 weist eine Anschlussbuchse 7, insbesondere eine USB-Buchse, insbesondere eine USB-Typ-C-Buchse, zum Anschluss eines Endgeräts 8 über ein entsprechendes Anschlusskabel 9 auf. D. h. beispielsweise ein Fahrzeuginsasse kann sein Endgerät 8 mittels des Anschlusskabels 9 an die Anschlussbuchse 7 anschließen, wie in 1 gezeigt, so dass es über die elektrische Energieversorgungseinheit 2 mit elektrischer Energie versorgt wird.
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Das Verbindungskabel 5 wird im Folgenden insbesondere als Zusammenfassung der gesamten Strecke zwischen der Steuereinheit 4 und der Anschlussbox 6 definiert. Diese Strecke beinhaltet unter anderem das Verbindungskabel 5 sowie alle Steck- und Übergangswiderstände.
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Das Verbindungskabel 5 zwischen der elektrischen Energieversorgungseinheit 2 und der Anschlussbox 6 umfasst eine Spannungsversorgungsleitung VBUS zwischen dem Gleichspannungswandler 3 und der Anschlussbox 6, zwei Datenkanalleitungen D+, D- und zwei Konfigurationskanalleitungen CC1, CC2 zwischen der Steuereinheit 4 und der Anschlussbox 6 und eine Masseleitung GND, über welche ein Ladestrom Ich fließt und welche einen Leitungswiderstand Rc aufweist, der den Masseversatz U_GNDshift verursacht.
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Die Masseleitung GND des Verbindungskabels 5 verbindet die Masse der Anschlussbox 6 mit der Masse der Steuereinheit 4 der elektrischen Energieversorgungseinheit 2.
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Durch den Anschluss des Endgeräts 8 über sein Anschlusskabel 9 an die Anschlussbuchse 7 der Anschlussbox 6 erstrecken sich die Spannungsversorgungsleitung VBUS, die Datenkanalleitungen D+, D- und die Konfigurationskanalleitungen CC1, CC2 sowie die Masseleitung GND über die Anschlussbuchse 7 und das Anschlusskabel 9 bis zum Endgerät 8.
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Durch den Ladestrom Ich des insbesondere als USB-Endgerät ausgebildeten Endgeräts 8, das an der Anschlussbuchse 7, insbesondere USB-Anschlussbuchse, insbesondere USB-Typ-C-Anschlussbuchse, angeschlossen wird, entsteht aufgrund des Verbindungskabels 5 zwischen der Anschlussbuchse 7 und der elektrischen Energieversorgungseinheit 2 als aktive Komponente im Fahrzeug der Masseversatz U_GNDshift.
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2 zeigt diesen Masseversatz U_GNDshift.
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3 zeigt ein um den Masseversatz U_GNDshift versetztes Datensignal V_CC,System der Steuereinheit 4 gegenüber einem Datensignal V_CC,DEV des Endgeräts 8 aufgrund des Verbindungskabels 5 über die Zeit t mit dem Bezugspotential der Anschlussbox 6.
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Die in 4 schematisch dargestellte elektrische Energieversorgungsanordnung 1 löst dieses Problem des Masseversatzes U_GNDshift, insbesondere für die so genannte Power Delivery Datenverbindung zwischen der insbesondere als USB-Ladesteuereinheit ausgebildeten Steuereinheit 4 in der elektrischen Energieversorgungseinheit 2 und der abgesetzten Anschlussbuchse 7, welche insbesondere als USB-Anschlussbuchse, insbesondere als USB-Typ-C-Anschlussbuchse, ausgebildet ist, mittels einer Vorrichtung 10 zur Kompensation des Masseversatzes U_GNDshift. Dies lässt sich in angepasster Form auch auf die Downstream-Seite der USB-Datenverbindung anwenden.
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Der Masseversatz U_GNDshift zwischen der elektrischen Energieversorgungseinheit 2 und der Anschlussbuchse 7, insbesondere USB-Anschlussbuchse, als passive Komponente führt dazu, dass das Datensignal im Bezugspotential verschoben ist. Eine Auswertung dieses Signals erfolgt im Endgerät 8 gegen dessen verschobenes Massepotential.
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Um dieses Problem zu lösen und insbesondere Spezifikationsanforderungen zu erfüllen, insbesondere Anforderungen einer USB Power Delivery, USB 2.0 und USB-Typ C Spezifikation, wird das Bezugspotential, d. h. das Massepotential, der Steuereinheit 4 der elektrischen Energieversorgungseinheit 2 bezüglich des Masseversatzes U_GNDshift des Verbindungskabels 5 nachgeführt.
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Dies wird dadurch erreicht, dass die Vorrichtung 10 zur Kompensation des Masseversatzes U_GNDshift einen Operationsverstärker 11 zwischen dem Massepotential der Anschlussbox 6 und dem Massepotential der elektrischen Energieversorgungseinheit 2 aufweist, mittels welchem das Massepotential der Anschlussbox 6 mit dem Massepotential der elektrischen Energieversorgungseinheit 2 verglichen wird und der elektrischen Energieversorgungseinheit 2 das Massepotential der Anschlussbox 6 bereitgestellt wird. Hierzu weist der Operationsverstärker 11 eine Massepotentialermittlungsleitung 12 auf, welche in der Anschlussbox 6 mit der Masseleitung GND verbunden ist. Der Operationsverstärker 11 bildet dabei vorteilhafterweise einen Spannungsfolger, der aufgrund des geringen Eingangsstroms am Operationsverstärker 11 auf der Massepotentialermittlungsleitung 12 keinen Spannungsabfall erzeugt.
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5 zeigt den mittels der Vorrichtung 10 kompensierten und somit reduzierten Masseversatz U_GNDshift,comp über die gesamte Strecke, beginnend bei Steuereinheit 4 in der elektrischen Energieversorgungseinheit 2 und endend beim Endgerät 8.
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6 zeigt ein um den kompensierten Masseversatz U_GNDshift,comp im Verbindungskabel 5 korrigiertes Datensignal V_CC,comp zwischen dem Endgerät 8 und der Steuereinheit 4 in der elektrischen Energieversorgungseinheit 2. Der verbliebene Masseversatz U_GNDshift wird durch das Anschlusskabel 9 zwischen der Anschlussbox 6 und dem Endgerät 8 verursacht, welcher nicht durch den Operationsverstärker 11 erfasst und daher nicht kompensiert wird. Dieser verbliebene Masseversatz U_GNDshift liegt jedoch innerhalb der vorgegebenen Spezifikation und ist daher unproblematisch.
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Der Masseversatz U_GNDshift zwischen der Anschlussbox 6 und der elektrischen Energieversorgungseinheit 2, welcher durch das Verbindungskabel 5 verursacht wird, wird hingegen vollständig kompensiert. Dadurch wird erreicht, dass der durch das Anschlusskabel 9 verursachte verbliebene Masseversatz U_GNDshift innerhalb der vorgegebenen Spezifikation liegt.
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Durch diese Maßnahme wird eine dezentrale, spezifikationskonforme Integration insbesondere von USB Power Delivery Komponenten ermöglicht, wobei insbesondere eine Packagingoptimierung und eine Wirkungsgradoptimierung erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energieversorgungsanordnung
- 2
- Energieversorgungseinheit
- 3
- Gleichspannungswandler
- 4
- Steuereinheit
- 5
- Verbindungskabel
- 6
- Anschlussbox
- 7
- Anschlussbuchse
- 8
- Endgerät
- 9
- Anschlusskabel
- 10
- Vorrichtung
- 11
- Operationsverstärker
- 12
- Massepotentialermittlungsleitung
- CC1, CC2
- Konfigurationskanalleitung
- D+, D-
- Datenkanalleitung
- GND
- Masseleitung
- Ich
- Ladestrom
- Rc
- Leitungswiderstand
- t
- Zeit
- U_GNDshift
- Masseversatz
- U_GNDshift,comp
- kompensierter Masseversatz
- VBUS
- Spannungsversorgungsleitung
- VBP
- Spannungsabfall zum nachgeführten Bezugspotential
- V_CC,comp
- korrigiertes Datensignal
- V_CC,DEV
- Datensignal des Endgeräts
- V_CC,System
- Datensignal der Steuereinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005015443 A1 [0002]
