DE112011101073T5 - Netzteil mit einem Hub für einen universellen seriellen Bus - Google Patents

Netzteil mit einem Hub für einen universellen seriellen Bus Download PDF

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Kean W. Lam
Richard W. Teltz
Fang Hua
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Power Systems Technologies Ltd
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Abstract

Netzteil für ein Host-Gerät und Verfahren zum Betreiben desselben. In einer Ausführungsform enthält das Netzteil einen Leistungswandler 910 und einen Hub 920 für einen universellen seriellen Bus. Außerdem enthält das Netzteil einen integrierten Versorgungs-/universellen seriellen Bus-Anschluss 950, gekoppelt an den Leistungswandler 910 und den Hub 920 für einen universellen seriellen Bus, wobei es so gestaltet ist, dass es ein Host-Gerät mit Leistung versorgt und Kommunikation über einen universellen seriellen Bus führt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/318,031 mit dem Titel ”Power Adapter Having a Universal Serial Bus Hub”, eingereicht am 26. März 2010, deren Inhalt hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
  • Die vorliegende Erfindung zielt allgemein auf Leistungselektroniken und insbesondere auf ein Netzteil mit einem Leistungswandler und einem Hub für einen universellen seriellen Bus (USB-Hub) sowie auf Verfahren zum Betreiben desselben ab.
  • Hintergrund
  • Ein Schaltnetzteil (auch als ”Leistungswandler”, ”Stromrichter” bekannt) ist eine Versorgungs- oder Netzteilschaltung, die eine Eingangsspannungswellenform in eine festgelegte Ausgangsspannungswellenform wandelt. AC-DC-Leistungswandler wandeln eine Eingangswechselspannung (”AC”) in eine Ausgangsgleichspannung (”DC”) um. DC-DC-Leistungswandler wandeln eine Eingangsgleichspannung (”DC”) in eine Ausgangsgleichspannung (”DC”) um. Ein Leistungswandler mit einer geringen Nennleistung, der dafür ausgelegt ist, eine Netzwechselspannung oder eine Spannung von einer Gleichspannungsquelle in eine Ausgangsgleichspannung zu wandeln, um eine elektronische Last, wie etwa einen Drucker, einen Personal Computer oder andere tragbare elektronische Geräte, wie etwa ein Gerät zur drahtlosen Kommunikation, mit Energie zu versorgen, wird im Allgemeinen als ”Netzteil”, aber auch als ”Adapter” bezeichnet. Im Allgemeinen kann ein Adapter von einer Wechselstromquelle oder einer Gleichstromquelle versorgt werden.
  • Da die Anforderungen an tragbare Computer und die drahtlose Kommunikation schnell gestiegen sind, ist es wichtig geworden, Funktionalitäten auf hohem Niveau in einem leichten Gehäuse zur Verfügung zu stellen, dass dünnwandig und für die Anwendungsumgebung robust genug ist. In dem Maße, wie tragbare Geräte, wie etwa Personal Computer, immer dünner und leichter konstruiert werden, wird eine Unterstützung der gesamten Palette von Zubehörkomponenten, wie etwa Netzteile, Hubs für einen universellen seriellen Bus (”USB-Hubs”), Laufwerke und Funkempfangseinrichtungen, die heutzutage in voll funktionsfähigen Personal Computern anzutreffen sind, immer schwieriger. In der Regel ist für eine bestimmte Aufgabe nicht jedes dieser Zubehöre erforderlich, was zur Folge hat, dass mit den Grundfunktionalitäten des Personal Computers oder eines anderen Geräts typischerweise eine beträchtliche Anzahl peripherer Geräte einhergeht. Gleichwohl ist es üblich geworden, um dünne und leichte Konstruktionen einer tragbaren Datenverarbeitungseinrichtung, wie etwa eines Personal Computers oder eines Geräts zur drahtlosen Kommunikation, zu ermöglichen, den Adapter als separate Einrichtung zu konzipieren, die mit einem Kabel an den Personal Computer angeschlossen wird.
  • Trotz weiterer Verringerung der Größe und Weiterentwicklung der Leistungsfähigkeit integrierter digitaler Einrichtungen, um die steigenden Anforderungen des Marktes zu erfüllen, ist bisher keine zufriedenstellende Strategie gefunden worden, die eine weitere Verringerung von Größe und Gewicht tragbarer Personal Computer oder Geräte zur drahtlosen Kommunikation ermöglicht und die sich zudem in vorteilhafter Weise an Großserienproduktionstechniken anpassen lässt. Dementsprechend besteht im Fachgebiet ein Bedarf an einer Konstruktionslösung und einem zugehörigen Verfahren für ein Netzteil, das eine weitere Verringerung der Größe von Host-Geräten, wie etwa tragbaren Personal Computern, Geräten zur drahtlosen Kommunikation o. ä., ermöglicht.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Durch vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, darunter ein Netzteil und ein Verfahren zum Betreiben desselben, werden diese und weitere Probleme im Allgemeinen gelöst oder umgangen und es werden technische Vorteile erzielt. In einer Ausführungsform enthält das Netzteil einen Leistungswandler und einen Hub für einen universellen seriellen Bus. Außerdem enthält das Netzteil einen integrierten Anschluss für Versorgung/den universellen seriellen Bus, der an den Leistungswandler und den Hub des universellen seriellen Busses angeschlossen ist und gestaltet ist, um ein Host-Gerät mit Leistung zu versorgen und über den universellen seriellen Bus Kommunikation damit zu führen.
  • Im vorangegangenen Abschnitt wurden die Merkmale und technischen Vorteile der vorliegenden Erfindung eher weit gefasst dargestellt, damit die genaue Beschreibung der Erfindung, die folgt, besser verstanden werden kann. Im Folgenden werden weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung beschrieben, die den Gegenstand der Ansprüche der Erfindung bilden. Für den Fachmann versteht sich, dass die gedankliche Erfassung und die besondere Ausführungsform, die offenbart sind, einfach als Grundlage für Modifikationen oder die Konstruktion anderer Strukturen oder Prozesse verwendet werden können, um die gleichen Zwecke wie die vorliegende Erfindung zu erfüllen. Für den Fachmann sollte einzusehen sein, dass solche gleichwertigen Konstruktionen nicht vom Erfindungsgedanken und Schutzbereich der Erfindung, wie in beigefügten Ansprüchen dargelegt, abweichen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun auf die folgende Beschreibung verwiesen, die in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung vorgenommen wurde, bei denen:
  • 1A und 1B eine Vorderansicht bzw. eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines integrierten Versorgungs-/USB-Anschlusses für ein Netzteil zeigen, die entsprechend den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
  • 2 bis 4 perspektivische Ansichten von Ausführungsformen eines integrierten Versorgungs-/USB-Anschlusses für ein Netzteil zeigen, die entsprechend den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind;
  • 5 eine Querschnittansicht einer Ausführungsform eines Kabels eines Netzteils zeigt, die entsprechend den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
  • 6 und 7 perspektivische Teilansichten von Ausführungsformen von Netzteilen zeigen, die entsprechend den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind;
  • 8 einen Schaltplan einer Ausführungsform eines Netzteils zeigt, die entsprechend den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist; und
  • 9 ein Blockschema einer Ausführungsform eines Netzteils zeigt, die einen integrierten Versorgungs-/USB-Anschluss und ein Kabel aufweist, die entsprechend den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind.
  • Übereinstimmende Zahlen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf übereinstimmende Teile, sofern nichts anderes angegeben ist, und werden der Kürze wegen ggf. nach ihrem ersten Vorkommen nicht nochmals beschrieben. Die Figuren dienen zur Veranschaulichung der maßgeblichen Aspekte von Ausführungsbeispielen.
  • Genaue Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen
  • Im Folgenden werden die Herstellung und die Verwendung der bisherigen Ausführungsbeispiele ausführlich erörtert. Es sollte jedoch leicht nachvollziehbar sein, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfinderische Ideen hervorbringt, die in sehr vielfältigen spezifischen Kontexten ausgeführt werden können. Die besonderen Ausführungsformen, die erörtert werden, veranschaulichen lediglich besondere Wege, um die Erfindung zu machen und zu nutzen, schränken jedoch die Tragweite der Erfindung nicht ein.
  • Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf Ausführungsbeispiele in einem spezifischen Kontext beschrieben, nämlich ein Netzteil, das so gestaltet ist, dass es USB-fähige Betriebsmittel separat von einem Host-Gerät, wie etwa einem tragbaren Personal Computer oder einem Gerät zur drahtlosen Kommunikation, unterstützt. Die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung werden zwar in der Umgebung eines Netzteils beschrieben werden, doch ist jede Anwendung, die von einem Netzteil mit USB-fähigen Betriebsmitteln einen Vorteil ziehen kann, darunter ein Leistungsverstärker oder eine Motorsteuerung, ebenfalls in den weiten Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
  • Dementsprechend liefert ein integriertes Versorgungs-/USB-Kabel mit Steckverbinder eine DC-Leistung von einem Leistungswandler und unterstützt zudem eine USB-Kommunikation mit einem Leistungswandler und einem USB-Hub des Netzteils für ein Host-Gerät. Das USB-fähige Netzteil mit dem integrierten Versorgungs-/USB-Kabel und dem Steckverbinder ermöglicht, ein Host-Gerät, wie etwa einen Personal Computer oder ein Gerät zur drahtlosen Kommunikation, von peripheren Geräten, wie etwa einem USB-Hub, einem Laufwerk, einer Kamera und einem kombinierten Sender-Empfänger, zu entlasten und dadurch Größe, Gewicht und Grundkosten des Host-Geräts zu verringern. Wenn Benutzer verreisen, dann nehmen sie im Allgemeinen ein Netzteil getrennt vom Host-Gerät mit, wodurch auf Reisen der Zugriff auf diese Betriebsmittel möglich ist.
  • Das hier vorgestellte USB-fähige Netzteil bietet sowohl einen Leistungswandler zur Versorgung eines tragbaren Personal Computers oder eines anderen Geräts und zum Laden seiner Batterie, als auch das Vermögen, an das Netzteil angeschlossene, darin integrierte oder separat vom Netzteil angeordnete USB-Geräte zu unterstützen. Dies ermöglicht, periphere Geräte aus dem Host-Gerät in das Netzteil zu verlagern, sodass sich ein kleinerer, leichterer und preiswerterer Personal Computer ergibt, während nach wie vor ein breites Spektrum von Datenverarbeitungs- und Kommunikationsfunktionen unterstützt wird. Da die meisten Benutzer auf Reisen das Netzteil mitnehmen, werden sie nach wie vor Zugang zu allen Funktionen haben. Das USB-fähige Netzteil kann auch Komponenten unterstützen, die zu groß sind, um in übliche tragbare Personal Computer zu passen, oder die nicht so häufig angeschlossen werden, dass ihre Aufnahme in eine auftragsspezifische Variantenfertigung – ”Configure-to-Order/Build-to-Order (”CTO/BTO”)-Optionen – gerechtfertigt wäre.
  • Die USB-fähigen Komponenten (auch als USB-Geräte bezeichnet) können demzufolge aus dem Personal Computer in das USB-fähige Netzteil verlagert werden, wodurch sich die Grundkosten des Personal Computers und seine Abmessungen verringern, während gleichzeitig den Benutzern Flexibilität im Hinblick auf die Systemfunktionalität gegeben wird. Ein USB-Hub ist entweder vollständig in das Gehäuse des USB-fähigen Netzteils integriert oder abtrennbar hergestellt, um Benutzern ein dynamisches Rekonfigurieren der Funktionalität des Host-Geräts, wie etwa eines Personal Computers, durch Austauschen von USB-Geräten in Bezug auf das USB-fähige Netzteil zu ermöglichen.
  • Die USB-Funktionalität in dem USB-fähigen Netzteil, darunter ein Unterstützen von USB-Hubs, zusätzlichem Speicher usw., wird unter Verwendung eines integrierten Versorgungs-/USB-Kabels mit Steckverbinder ermöglicht. Die USB-Funktionalität kann auch erweitert werden, um eine hochintegrierte Schnittstelle mit der Versorgungsfunktionalität des USB-fähigen Netzteils zu schaffen, etwa für Fehlerberichtsfunktionen und eine Steuerung einer Betriebsart des USB-fähigen Netzteils für das Host-Gerät wie etwa einen Personal Computer, Ruhe- oder Energiesparmodus eingeschlossen. Das integrierte Versorgungs-/USB-Kabel ist mit einem integrierten Versorgungs-/USB-Anschluss ausgebildet, der so eingerichtet sein kann, dass er mit verschiedenen vorhandenen Netzanschlüssen von Host-Geräten kompatibel ist. Es kann ein austauschbarer Adapteraufsatz verwendet werden, um das USB-fähige Netzteil an einen üblichen Netzanschluss des Host-Geräts anzuschließen.
  • Die Netzteile, die derzeit bei Personal Computern benutzt werden, verwenden oftmals drei Leiter oder Einzeladern, nämlich einen Leiter für hohe Spannungen, wie etwa +19 Volt (”V”) Gleichspannung, einen Erdungs-/Rück-Leiter und einen Versorgungsidentifikations-(”PSID”)Leiter, um die Adapterschaltung mit dem Lade- und Versorgungsmanagement-Subsystem des Host-Geräts zu synchronisieren. Es wird jedoch anerkannt, dass eine Verwendung eines PSID-Leiters nicht bei allen derzeit verfügbaren Host-Geräten möglich ist. Das hier eingeführte USB-fähige Netzteil weist zusätzliche Leiter zur Unterstützung der USB-Kommunikation auf, nämlich ein Differenzialpaar für USB-Signale und zwei Leiter für den USB-Strom. Dementsprechend können die zwei Leiter in dem Kabel für USB-Strom verwendet werden, um die USB-Funktionalität in dem USB-fähigen Netzteil mit Strom zu speisen, der vom Akku des Host-Geräts geliefert wird, wenn das USB-fähige Netzteil nicht in eine Netzsteckdose gesteckt ist. Zudem ist der kombinierte Versorgungs-/USB-Anschluss in eine einzige Stecker-und-Buchse-Kombination integriert, die mit den üblichen Adaptern von Host-Geräten kompatibel ist, wodurch sich das Kabelmanagement vereinfacht. Um einen Netzstecker so anzupassen, dass er sich in einen üblichen Netzeingang eines Host-Geräts stecken lässt, kann ein austauschbarer Versorgungsaufsatz verwendet werden.
  • In einer Ausführungsform ist der integrierte Versorgungs-/USB-Anschluss für das Host-Gerät mit einem ”Y-Kabel” ausgestattet, wobei sich das integrierte Versorgungs-/USB-Kabel am Host-Gerät-Ende in einen Daten/USB-Anschluss und einen separaten Netzanschluss aufteilt. Der Gleichstromanschluss kann von der üblichen Anschlussmöglichkeit des Host-Geräts Gebrauch machen, während der USB-Hub des USB-fähigen Netzteil in einen der üblichen USB-Anschlüsse des Host-Geräts gesteckt sein kann.
  • Nun zu 1A und 1B, in denen eine Vorderansicht bzw. eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines integrierten Versorgungs-/USB-Anschlusses für ein Netzteil gezeigt ist, die entsprechend den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Der integrierte Versorgungs-/USB-Anschluss weist in einer oberen Reihe fünf Anschlüsse (gemeinsam mit 110 bezeichnet) auf, die für eine Audio- und USB-Kommunikationskonnektivität sorgen. Außerdem enthält die obere Reihe zwei ungenutzte Anschlüsse (gemeinsam mit 120 bezeichnet), die zu einem späteren Zeitpunkt verwendet werden können, um zusätzliche Funktionalität zu bieten. In einer unteren Reihe wird ein Anschluss (mit 130 bezeichnet) verwendet, um eine DC-Leistung für ein Host-Gerät wie etwa einen Personal Computer (z. B. +19 Volt (”V”) bei 5 Ampere (”A”) oder +12 V bei 5 A) zu liefern. Ein weiterer Anschluss (mit 140 bezeichnet) wird benutzt, um eine Erdung (d. h. einen Rückstrompfad) für den Gleichstrom zu schaffen. Außerdem zeigt 1 drei weitere ungenutzte Anschlüsse (gemeinsam mit 150 bezeichnet) in der unteren Reihe, die zu einem späteren Zeitpunkt für zusätzliche Funktionalität verwendet werden können. Beispielhafte Abmessungen des integrierten Versorgungs-/USB-Anschlusses sind X = 4,2 Millimeter (”mm”) und Y = 8,6 mm.
  • Nun zu 2 bis 4, in denen perspektivische Ansichten von Ausführungsformen eines integrierten Versorgungs-/USB-Anschlusses für ein Netzteil gezeigt sind, die entsprechend den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind. Wie 2 zeigt, ist der integrierte Versorgungs-/USB-Anschluss mit einem Gleichstromanschluss 210 (z. B. mit einem Hohlsteckerende) ausgebildet, der mit einem USB-Anschluss 220 integriert ist. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung und vom Einbauplatz des Anschlusses für das Host-Gerät (z. B. den Personal Computer) kann der integrierte Versorgungs-/USB-Anschluss so positioniert werden, dass der Gleichstromanschluss 210 mit dem entsprechenden Anschluss des Personal Computers in Eingriff gelangt. Der austauschbare Adapteraufsatz 230 kann verwendet werden, um den Abstand des Gleichstromanschlusses 210 so zu vergrößern, dass er an Personal Computer eines breiteren Spektrums von Ausführungen angeschlossen werden kann, bei denen andernfalls der USB-Anschluss 220 im Weg wäre. Wie aus 3 ersichtlich ist, wird der integrierte Versorgungs-/USB-Anschluss von 2 in Gegensteckverbinder 310 bzw. 312 einer gedruckten Schaltkarte 300 eingeschoben, die sich im Inneren eines Host-Geräts wie etwa eines Personal Computers oder eines anderen Geräts befinden kann.
  • Nun zu 4, in der eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines integrierten Versorgungs-/USB-Anschlusses für ein Netzteil gezeigt ist, die entsprechend den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Der formschlüssige integrierte Versorgungs-/USB-Anschluss weist ein Hohlsteckerende 410 zur Verbindung mit einem formschlüssigen Gegensteckverbinder 420 auf, der mit einer Keilnut 430 (z. B. 8,5 mm Umfang) ausgebildet ist. Die USB-Funktionalität ist in einen Keil eingebaut, wobei Anschlüsse vorgesehen sind, die dafür sorgen, dass sich der formschlüssige integrierte Versorgungs-/USB-Anschluss für die derzeitigen Versorgungshohlstecker eignet. Ein Keil, der sich an der Seite des Hohlsteckerendes 410 befindet, ist mit zwei USB-Anschlüssen (oder -Kontakten) 450 auf einer Seite des Keils 440 und zwei USB-Anschlüssen (verdeckt) an der gegenüberliegenden Seite des Keils 440 ausgebildet. Seitlich des Keils 440 kann ein weiterer Anschluss 460 ausgebildet sein, um zusätzliche Funktionalität zu bieten. Dadurch, dass der Keil 440 nur an einem Teil des Hohlsteckerendes 410 ausgebildet ist, kann der integrierte Versorgungs-/USB-Anschluss in einen üblichen formschlüssigen Gegensteckverbinder 420 eingesteckt werden. Somit kann einem Endnutzer als Option eine verbesserte Funktionsfähigkeit des formschlüssigen integrierten Versorgungs-/USB-Anschlusses geboten werden.
  • Nun zu 5, in der eine Querschnittansicht einer Ausführungsform eines Kabels eines Netzteils gezeigt ist, die entsprechend den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Das Kabel befindet sich zwischen einem Leistungswandler und einem USB-Hub einerseits und einem integrierten Versorgungs-/USB-Anschluss des USB-fähigen Netzteils andererseits. Um seinen Umfang weist das Kabel einen Isoliermantel 510 auf. Das Kabel ist mit einem Gleichstromleiter 515 und einem Erdrückleiter 520 ausgebildet, die typischerweise jeweils mit 20er AWG-(American Wire Gauge)Draht ausgebildet wären. Des Weiteren enthält das Kabel ein erstes geschirmtes USB-Differenzialpaar 525, 530, das mit 28er AWG-Drähten gebildet ist, und ein zweites geschirmtes USB-Differenzialpaar 535, 540, das mit 28er AWG-Drähten gebildet ist. Ferner enthält das Kabel einen Ableiter statischer Elektrizität 545, um statische elektrische Ladungen vom Kabel abzuleiten. Außerdem kann das Kabel mit einem nichtleitenden Füllstoff 550 ausgebildet sein, der einen mechanischen Träger für den Isoliermantel 510 bildet. Auch ist ein Erdungsleiter 555 enthalten, um eine generelle Erdverbindung zwischen der örtlichen Erde des Netzteils und der örtlichen Erde des Host-Geräts, wie etwa eines Personal Computers oder eines anderen Geräts, zu schaffen.
  • Nun zu 6 und 7, in denen perspektivische Teilansichten von Ausführungsformen von Netzteilen (z. B. USB-fähigen Netzteilen) gezeigt sind, die entsprechend den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind. Das USB-fähige Netzteil von 6 enthält einen USB-Hub 610 (z. B. einen vier Ports aufweisenden netzversorgten/nicht netzversorgten USB-Hub) und einen AC-DC-Leistungswandler 650 (z. B. einen FlexPower S90). Der USB-Hub 610 weist USB-Anschlüsse 615, 620 für ein Anschließen an ein USB-Gerät auf. Der AC-DC-Leistungswandler 650 weist einen Netzanschluss 655 auf, der so gestaltet ist, dass er ein Kabel aufnimmt, das Leistung von einer Quelle elektrischer Leistung, wie etwa einem Wechselstromnetz, an den AC-DC-Leistungswandler 650 liefert. Außerdem weist das USB-fähige Netzteil Versorgungs-/USB-Ports 630, 640 auf, die so gestaltet sind, dass sie jeweils für eine als sicher eingestufte Gleichstromversorgungs-/USB-Konnektivität mit einem Kabel (siehe z. B. das mit Bezug auf 5 beschriebene Kabel) sorgen, und einen integrierten Versorgungs-/USB-Anschluss (siehe z. B. die mit Bezug auf 2 bis 4 beschriebenen integrierten Versorgungs-/USB-Anschlüsse) für ein Host-Gerät. Demgemäß ist das USB-fähige Netzteil so gestaltet, dass es eine DC-Leistung sowohl für ein Host-Gerät, wie etwa einen Personal Computer, als auch für einen entfernten USB-Hub 610, der austauschbar außerhalb des Personal Computers angeordnet sein kann, liefert, wodurch es nicht mehr erforderlich ist, einen USB und seine zugehörigen Anschlüsse in den Personal Computer einzubauen.
  • Das USB-fähige Netzteil von 7 enthält einen USB-Hub 710 (z. B. einen vier Ports aufweisenden netzversorgten/nicht netzversorgten USB-Hub) und einen AC-DC-Leistungswandler 750 (z. B. ein FlexPower-Netzteil schlanker Bauform). Der USB-Hub 710 weist USB-Anschlüsse (wovon einer mit 720 bezeichnet ist) für ein Anschließen an ein USB-Gerät auf. Der AC-DC-Leistungswandler 750 weist einen Netzanschluss 760 auf, der so gestaltet ist, dass er ein Kabel aufnimmt, das Leistung von einer Quelle elektrischer Leistung, wie etwa einem Wechselstromnetz, an den AC-DC-Leistungswandler 750 liefert. Außerdem weist das USB-fähige Netzteil einen Versorgungs-/USB-Port 730 auf, der so gestaltet ist, dass er für eine als sicher eingestufte Gleichstromversorgungs-/USB-Konnektivität mit einem Kabel (siehe z. B. das mit Bezug auf 5 beschriebene Kabel) sorgt, und einen integrierten Versorgungs-/USB-Anschluss (siehe z. B. die mit Bezug auf 2 bis 4 beschriebenen integrierten Versorgungs-/USB-Anschlüsse) für ein Host-Gerät.
  • Nun zu 8, in der ein Schaltplan einer Ausführungsform eines Netzteils (z. B. eines USB-fähigen Netzteils) gezeigt ist, die entsprechend den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Das USB-fähige Netzteil weist einen USB-Hub 810 auf, der eine Konnektivität mit einem Host-Gerät, wie etwa einem Personal Computer, Notebook-Computer, über ein Kabel und einen integrierten Versorgungs-/USB-Anschluss ermöglicht. Des Weiteren weist das USB-fähige Netzteil ein USB-Gerät 820 (z. B. ein USB-fähiges Laufwerk, einen USB-fähigen Flash-Speicher, eine USB-fähige Kamera) auf, das an den USB-Hub 810 gekoppelt ist. Selbstverständlich kann das USB-Gerät 820 austauschbar vom USB-Hub 810 entfernt werden oder in die übergeordnete Versorgung integriert sein; damit wird ein integriertes Mehrzweckgerät angeboten.
  • Ferner weist das USB-fähige Netzteil einen Leistungswandler 830 mit Vorwärtsleistungsübertrager mit aktiver Klemmung auf. Selbstverständlich kann der Leistungswandler 830 andere Topologien verwenden, wie insbesondere einen Sperrwandler (Flyback-Übertrager). Der Leistungswandler 830 ist an eine Quelle elektrischer Leistung gekoppelt (z. B. eine Eingangsleistungsquelle wie etwa das Wechselstromnetz), dargestellt als Eingangsspannung Vac. In einer alternativen Ausführungsform kann die Eingangsspannung für das USB-fähige Netzteil von einer Gleichspannungsquelle geliefert werden. Die Eingangsspannung Vac wird mittels der Diodengleichrichterbrücke GR gleichgerichtet und mittels des Glättungskondensators Cin geglättet, um eine Eingangsgleichspannung Vin zu bilden. Die Eingangsgleichspannung Vin liefert Eingangsleistung an einen Trenntransformator oder Transformator T1. Der Transformator T1 weist eine Primärwicklung mit Primärwindungen Np und eine Sekundärwicklung mit Sekundärwindungen NS auf, die so gewählt sind, dass eine Ausgangsspannung Vout unter Berücksichtigung eines resultierenden Tastgrades und der Belastung der Übertragungskomponenten geliefert wird. Ein Leistungsübertrager des Leistungswandlers 830 weist einen ersten und einen zweiten Leistungsschalter S1, S2 auf, die an die Eingangsleistungsquelle gekoppelt sind, welche die Eingangsspannung Vin liefert. Der erste Leistungsschalter S1 (z. B. ein n-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (”MOSFET”)) wird von einer Steuereinrichtung gesteuert, z. B. von einem Pulsbreitenmodulations-(PBM-)Regler 840, der den ersten Leistungsschalter S1 so steuert, dass er während einer Einschaltdauer D leitend ist. Der zweite Leistungsschalter S2 (ein Rücksetzschalter, wie etwa ein n-Kanal-MOSFET) ist an einen Klemm-Kondensator Cclamp und an den ersten Leistungsschalter S1 gekoppelt. Der zweite Leistungsschalter S2 wird so gesteuert, dass er während einer im Wesentlichen komplementären Einschaltdauer 1-D leitet.
  • Demzufolge leiten der erste Leistungsschalter S1 und der zweite Leistungsschalter S2 abwechselnd mit einer Schaltfrequenz von fs in Reaktion auf Gate-Treibersignale GD1 bzw. GD2, die vom PBM-Regler 840 erzeugt werden. Die Einschaltdauer D wird vom PBM-Regler 840 so angepasst, dass eine Ausgangskenngröße des Leistungswandlers 830, wie etwa die Ausgangsspannung Vout oder ein Ausgangsstrom oder eine Kombination von beiden, geregelt wird. Eine an der Sekundärwicklung des Transformators T1 anliegende Wechselspannung wird von einer in Durchlassrichtung betriebenen Diode Ds1 und einer Freilaufdiode Ds2 gleichgerichtet, und die Gleichspannungskomponente der resultierenden Wellenform wird durch ein Tiefpass-Ausgangsfilter mit einer Ausgangsfilterinduktivität Lout und einer Ausgangsfilterkapazität Cout zum Ausgang durchgekoppelt, um die Ausgangsspannung Vout zu erzeugen.
  • Während des ersten Abschnitts einer Einschaltdauer D nimmt ein Induktionsstrom ILout, der durch die Ausgangsfilterinduktivität Lout fließt, in dem Maße zu, wie Strom vom Eingang zum Ausgang des Leistungswandlers fließt. Während eines komplementären Abschnitts des Arbeitszyklus (im Allgemeinen gleichzeitig mit einer zur Einschaltdauer des ersten Leistungsschalters S1 komplementären Einschaltdauer ”1-D”) wird der erste Leistungsschalter S1 in einen nichtleitenden Zustand versetzt, und der zweite Leistungsschalter S2, der an die Ausgangsfilterinduktivität Lout gekoppelt ist, wird in Reaktion auf das Gate-Treibersignal GD2 leitfähig. Der zweite Leistungsschalter S2 schafft einen Weg zur Aufrechterhaltung einer Kontinuität des Induktionsstroms ILout, der durch die Ausgangsfilterinduktivität Lout fließt. Während des komplementären Abschnitts der komplementären Einschaltdauer 1-D nimmt der durch die Ausgangsfilterinduktivität Lout fließende Induktionsstrom ILout ab. Im Allgemeinen lässt sich das Tastverhältnis des ersten Leistungsschalters S1 und des zweiten Leistungsschalters S2 so einstellen, dass während des ersten Abschnitts der Einschaltzeit D eine Regelung der Ausgangsspannung Vout des Leistungswandlers aufrechterhalten wird. Für den Fachmann versteht sich jedoch, dass die Leitungsperioden des ersten und zweiten Leistungsschalters S1, S2 durch ein kurzes Zeitintervall voneinander getrennt sein können, um Querströme dazwischen zu vermeiden und die mit dem Leistungswandler verbundenen Schaltverluste in vorteilhafter Weise zu verringern. Außerdem kann der PBM-Regler 840 eine Entkopplungseinrichtung aufweisen oder an eine Entkopplungseinrichtung angeschlossen sein, etwa an einen Impulsübertrager oder einen Optokoppler, um eine galvanische Trennung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite des Leistungswandlers zu schaffen.
  • Nun zu 9, in der ein Blockschema einer Ausführungsform eines Netzteils gezeigt ist, die einen integrierten Versorgungs-/USB-Anschluss 950 und ein Kabel 940 aufweist, die entsprechend den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind. Das Kabel 940 ist über den Versorgungs-/USB-Port 930 an das USB-fähige Netzteil angeschlossen. Das USB-fähige Netzteil enthält einen Leistungswandler 910 und einen USB-Hub 920. Des Weiteren enthält das USB-fähige Netzteil USB-Anschlüsse 980, 981, die so gestaltet sind, dass sie ein herkömmliches USB-Kabel aufnehmen, das an USB-fähige Geräte, wie etwa einen Flash-Speicher, einen Adapter für eine drahtlose Anwendung oder einen weiteren USB-Hub, angeschlossen sein kann. Das USB-fähige Netzteil ist so gestaltet, dass es über ein Versorgungskabel 990 an eine Quelle elektrischer Leistung, wie etwa ein Wechselstromnetz, angeschlossen wird. Der integrierte Versorgungs-/USB-Anschluss 950 ist so gestaltet, dass er an ein Host-Gerät, wie etwa einen Personal Computer oder einen Server, angeschlossen wird, und ist mit einem USB-Anschluss 960 und einem Gleichstromeingang 970, wie zuvor mit Bezug auf 2 bis 4 beschrieben, ausgebildet. Wenn keine Quelle elektrischer Leistung vorhanden ist, die an das Versorgungskabel 990 angeschlossen werden kann, kann die Leistung für das USB-fähige Netzteil vom Gleichstromeingang 970 geliefert werden, der an das Host-Gerät gekoppelt ist.
  • Demzufolge ist das USB-fähige Netzteil so ausgebildet, dass es eine DC-Eingangsleistung an ein Host-Gerät liefert und USB-Funktionalität für außerhalb des Host-Geräts befindliche Geräte zur Verfügung stellt. Auf diese Weise wird eine beträchtliche Platz- und Kosteneinsparung beim Host-Gerät erzielt, was die Verwendung eines vorteilhafteren Host-Geräts in einer mobilen IT-Umgebung ermöglicht.
  • In einer Ausführungsform enthält das USB-fähige Netzteil einen Leistungswandler, einen Hub für einen universellen seriellen Bus (”USB-Hub”) und ein Kabel mit Leitungen vom Netzteil und vom USB-Hub zu einem integrierten Versorgungs-/USB-Anschluss zur Verbindung mit einem Host-Gerät (z. B. einem Personal Computer oder einem Gerät zur drahtlosen Kommunikation). Das USB-fähige Netzteil enthält einen Netzanschluss, der so gestaltet ist, dass er ein Kabel aufnimmt, um den Leistungswandler mit Leistung von einer Quelle elektrischer Leistung zu versorgen. Außerdem kann das USB-fähige Netzteil einen Versorgungs-/USB-Port vom Leistungswandler und vom USB-Hub zum Kabel enthalten. Was das Kabel anbelangt, so liefert einer der Leiter über einen Netzanschluss des integrierten Versorgungs-/USB-Anschlusses Leistung vom Leistungswandler zum Host-Gerät, und einer der Leiter ermöglicht über einen USB-Anschluss des integrierten Versorgungs-/USB-Anschlusses die USB-Kommunikation zwischen dem USB-Hub und dem Host-Gerät. Das Kabel kann auch einen Isoliermantel um seinen Umfang, einen Stromzuführungsleiter und einen Erdungsrückleiter, ein erstes geschirmtes USB-Differenzialpaar und ein zweites geschirmtes USB-Differenzialpaar, einen Ableiter statischer Elektrizität, einen nichtleitenden Füllstoff und einen Erdungsleiter aufweisen. Was den integrierten Versorgungs-/USB-Anschluss anbelangt, so kann der Anschluss ein Hohlsteckerende und einen austauschbaren Adapteraufsatz aufweisen, wobei der Adapteraufsatz so gestaltet ist, dass er den Abstand des Netzanschlusses zum Host-Gerät vergrößert. Der integrierte Versorgungs-/USB-Anschluss kann außerdem einen Netzanschluss mit einem Hohlsteckerende und einem an einer Seite davon befindlichen Keil aufweisen, wobei sich an einer Seite des Keils mindestens ein USB-Anschluss befindet. Der Leistungswandler des USB-fähigen Netzteils kann einen Brückengleichrichter, einen Vorwärtsleistungsübertrager mit aktiver Klemmung und eine Steuereinrichtung umfassen.
  • Für den Fachmann versteht sich, dass die zuvor beschriebenen Ausführungsformen eines Netzteils so gestaltet sind, dass sie USB-fähige Betriebsmittel ermöglichen, wobei zugehörige Verfahren zum Betreiben derselben nur zwecks Veranschaulichung vorgebracht wurden. Zwar ist ein Netzteil, das so gestaltet ist, dass es USB-fähige Betriebsmittel unterstützt, in der Umgebung eines Leistungswandlers für einen tragbaren Computer oder ein Gerät zur drahtlosen Kommunikation beschrieben worden, doch diese Prozesse können auch auf andere Systeme angewendet werden, insbesondere auf einen Leistungsverstärker oder eine Motorsteuerung.
  • Für eine besseres Verständnis von Leistungswandlern, siehe "Modern DC-to-DC Power Switch-mode Power Converter Circuits," von Rudolph P. Severns und Gordon Bloom, Van Nostrand Reinhold Company, New York, New York (1985) und "Principles of Power Electronics," von J. G. Kassakian, M. F. Schlecht und G. C. Verghese, Addison-Wesley (1991).
  • Obwohl die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile ausführlich beschrieben worden sind, sollte selbstverständlich sein, dass hieran verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und Umfang der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen. Zum Beispiel können viele der oben erörterten Prozesse nach verschiedenen Methoden umgesetzt werden und durch andere Prozesse oder eine Kombination davon ersetzt werden.
  • Außerdem soll der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nicht auf die besonderen Ausführungsformen des Prozesses, der Maschine, der Herstellung, der Stoffzusammensetzung, der Mittel, der Verfahren und der Schritte, die in der Offenbarung beschrieben sind, beschränkt sein. Wie ein Fachmann ohne Weiteres aus der Offenbarung der vorliegenden Erfindung erfassen kann, können Prozesse, Maschinen, Herstellungsarten, Stoffzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte, die derzeit existieren oder später entwickelt werden, und im Wesentlichen dieselbe Funktion erfüllen oder im Wesentlichen zum gleichen Ergebnis führen, gemäß der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Dementsprechend sollen die beigefügten Ansprüche solche Prozesse, Maschinen, Herstellungsarten, Stoffzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte in ihren Umfang einschließen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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    • ”Principles of Power Electronics,” von J. G. Kassakian, M. F. Schlecht und G. C. Verghese, Addison-Wesley (1991) [0038]

Claims (20)

  1. Netzteil, umfassend: einen Leistungswandler; einen Hub für einen universellen seriellen Bus (”USB-Hub”); und einen integrierten Versorgungs-/USB-Anschluss, der an den Leistungswandler und den USB-Hub gekoppelt ist und gestaltet ist, um ein Host-Gerät mit Leistung zu versorgen und USB-Kommunikation damit zu führen.
  2. Netzteil nach Anspruch 1, wobei das Host-Gerät einen Personal Computer oder ein Gerät zur drahtlosen Kommunikation umfasst.
  3. Netzteil nach Anspruch 1, ferner mindestens einen USB-Anschluss an dem Netzteil umfassend.
  4. Netzteil nach Anspruch 1, ferner einen Netzanschluss umfassend, der gestaltet ist, um ein Versorgungskabel aufzunehmen, um den Leistungswandler mit Leistung von einer Quelle elektrischer Leistung zu versorgen.
  5. Netzteil nach Anspruch 1, ferner einen Versorgungs-/USB-Port umfassend, der gestaltet ist, um den Leistungswandler und den USB-Hub über ein Kabel mit dem integrierten Versorgungs-/USB-Anschluss zu koppeln.
  6. Netzteil nach Anspruch 5, wobei einer der Leiter des Kabels über einen Netzanschluss des integrierten Versorgungs-/USB-Anschlusses das Host-Gerät mit Leistung von dem Leistungswandler versorgt und einer der Leiter des Kabels über einen USB-Anschluss des integrierten Versorgungs-/USB-Anschlusses die USB-Kommunikation zwischen dem USB-Hub und dem Host-Gerät führt.
  7. Netzteil nach Anspruch 6, wobei der Netzanschluss ein Hohlsteckerende und einen austauschbaren Adapteraufsatz umfasst, wobei der Adapteraufsatz gestaltet ist, um den Abstand des Netzanschlusses zum Host-Gerät zu vergrößern.
  8. Netzteil nach Anspruch 6, wobei der Netzanschluss ein Hohlsteckerende und einen an einer Seite davon befindlichen Keil umfasst, wobei sich an einer Seite des Keils mindestens ein USB-Kontakt befindet.
  9. Netzteil nach Anspruch 5, wobei das Kabel einen Isoliermantel um seinen Umfang, einen Stromzuführungsleiter und einen Erdungsrückleiter, ein erstes geschirmtes USB-Differenzialpaar und ein zweites geschirmtes USB-Differenzialpaar, einen Ableiter statischer Elektrizität, einen nichtleitenden Füllstoff und einen Erdungsleiter umfasst.
  10. Netzteil nach Anspruch 1, wobei der Leistungswandler einen Brückengleichrichter, einen Vorwärtsleistungsübertrager mit aktiver Klemmung und eine Steuereinrichtung umfasst.
  11. Verfahren, umfassend: Bereitstellen von Leistung über einen Leistungswandler; Führen einer Kommunikation eines universellen seriellen Busses (”USB”) mit einem USB-Hub; und Versorgen eines Host-Geräts mit der Leistung und Führen der USB-Kommunikation damit von dem Leistungswandler bzw. dem USB-Hub über einen integrierten Versorgungs-/USB-Anschluss.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Host-Gerät einen Personal Computer oder ein Gerät zur drahtlosen Kommunikation umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend ein Empfangen eines USB-fähigen Geräts über einen USB-Anschluss.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend ein Versorgen des Leistungswandlers mit Leistung von einer Quelle elektrischer Leistung.
  15. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend ein Koppeln des Leistungswandlers und des USB-Hubs über ein Kabel an den integrierten Versorgungs-/USB-Anschluss.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei einer der Leiter des Kabels über einen Netzanschluss des integrierten Versorgungs-/USB-Anschlusses das Host-Gerät mit Leistung von dem Leistungswandler versorgt und einer der Leiter des Kabels über einen USB-Anschluss des integrierten Versorgungs-/USB-Anschlusses die USB-Kommunikation zwischen dem USB-Hub und dem Host-Gerät führt.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend ein Vergrößern des Abstandes des Netzanschlusses zum Host-Gerät mittels eines austauschbaren Adapteraufsatzes, der an einem Hohlsteckerende des Netzanschlusses befestigt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Netzanschluss ein Hohlsteckerende und einen an einer Seite davon befindlichen Keil umfasst, wobei sich an einer Seite des Keils mindestens ein USB-Kontakt befindet.
  19. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Kabel einen Isoliermantel um seinen Umfang, einen Stromzuführungsleiter und einen Erdungsrückleiter, ein erstes geschirmtes USB-Differenzialpaar und ein zweites geschirmtes USB-Differenzialpaar, einen Ableiter statischer Elektrizität, einen nichtleitenden Füllstoff und einen Erdungsleiter umfasst.
  20. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Leistungswandler einen Brückengleichrichter, einen Vorwärtsleistungsübertrager mit aktiver Klemmung und eine Steuereinrichtung umfasst.
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