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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft im allgemeinen wiederaufladbare Batteriesysteme
und im besonderen wiederaufladbare Batteriesysteme für tragbare
elektronische Geräte.
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Hintergrund
der Erfindung
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In
dem Maße,
in dem die Elektronik zunehmend technisch ausgereifter, tragbar
und verfügbar wird,
fordern die Verbrauchermärkte
eine größere Anzahl
an Diensten von Produkten und den damit verbundenen Systemen. Insbesondere
sind Batterieladesysteme auf einem niedrigen technologischen Niveau
für eine
gewisse Zeit verblieben und erst vor kurzem hat sich die Aufmerksamkeit
auf derartige Systeme gerichtet. Zusätzlich können Produkte in zunehmendem
Maße miteinander
verbunden werden, das heißt,
dass Produkte so konstruiert werden, dass sie sich mit anderen Geräten ver binden
können,
um eine größere Funktionalität für ein gegebenes
System zur Verfügung
zu stellen. Beispielsweise werden Modems mit drahtloser Übertragung
verkauft, die mit tragbaren Computern und PDAs ("PDA = personal digital assistant"/persönlicher
digitaler Assistent) verwendet werden können.
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Ein
herkömmliches
Tischbatterieladegerät stellt
einfach ein oder zwei Fächer
zur Aufnahme einer Batterie und Ladekontakte zur Verfügung, die Batteriekontakten
entsprechen. Das Ladegerät
umfasst einen Netzanschluss, einen Regler und eine Steuerschaltung,
die zusammen arbeiten, um die in das Ladegerät eingeführten Batterien zu laden. In
einigen Fällen,
insbesondere bei tragbaren Computern, kann das Ladegerät auch als
Netzanschluss für das
Produkt fungieren. Viele derartige Produkte enthalten einen internen
Ladecontroller, der die Energie aus einem externen Netzanschluss
oder einem Ladegerät
nimmt und eine intern angebrachte Batterie lädt. Das Ladegerät stellt
keine Mittel zur Verfügung, mit
dem sich ein Gerät
mit anderen Geräten
verbinden kann. Tragbare Computer weisen, aufgrund ihrer Größe, Anschlüsse zum
Verbinden mit peripheren Geräten
auf, kleinere Produkte jedoch, wie etwa zellulare Telefone und PDAs,
weisen einen sehr begrenzten Raum für derartige Verbindungsanschlüsse auf.
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In
der
US5351283 ist beispielsweise
eine fahrzeugmontierte Ladevorrichtung für tragbare Telefonapparate
offenbart. Eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des angefügten Anspruchs
1 zum Laden zweier Batterien gemäß einer
Prioritätssequenz
ist in
GB2242794 offenbart:
Ein Kommunikationsbus, der in einem Multiprozessor-System verwendet wird,
ist in Markt & Technik,
Nr. 28, 12.7.1985, Seiten 60 und 62 offenbart.
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Einer
der bedeutenderen Vorteile, die Elektronik gemäß dem Stand der Technik bietet,
ist die Fähigkeit,
Informationen in tragbarer Elektronik zu empfangen, zu speichern
und zu erzeugen. Beispielsweise werden Handscanner verwendet, um das
Inventar von Regalbeständen
in Lebensmittelgeschäften
aufzunehmen. Diese Geräte
lesen eine Codenummer, die dem bestimmten Produkt entspricht, dann
gibt der Benutzer eine gezählte
Anzahl an Einheiten in dem Regal mittels einer Tastatur oder ähnlicher
Eingabegeräte
ein. Diese Information wird später
von dem elektronischen Gerät
an ein zentrales Computersystem übertragen,
sodass ein Inventarbericht erzeugt werden kann.
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Demzufolge
existiert ein Bedarf, eine Verbindungsmöglichkeit zwischen elektronischen
Geräten zur
Verfügung
zu stellen, während
die Geräte
mit Netzstrom versogt werden und Batterien zur Benützung in
den Geräten
geladen werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Zeichnungsfigur ist ein Blockdiagramm eines Batterieladesystems
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die
Erfindung, wie im vorliegenden Anspruch 1 definiert, wird mit einer
Betrachtung der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnungsfigur besser
verstanden.
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Bezugnehmend
auf die Zeichnungsfigur, die ein Blockdiagramm eines Batterieladesystems 10 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht, ist im allgemeinen ein Ladegerät 12 und verschiedene
Systemkomponenten, einschließlich einer
Energieversorgung 14, einem elektronischen Gerät 16,
einer externen Batterie 18 und einem peripheren Gerät 20 gezeigt.
Es sollte klar sein, dass alle gezeigten Komponenten sich auf ein
gemeinsames Spannungspotential beziehen und demzufolge Erdungsverbindungen
aus Gründen
der Klarheit nicht gezeigt sind. Es sollte demzufolge angenommen werden,
dass jede Komponente ein Erdungspotential aufweist, das an das Energieversorgungsbezugspotential über das
Ladegerät
verbunden ist.
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Das
Ladegerät 12 ist
der zentrale Teil des Systems, während
die anderen Komponenten elektronisch mit dem Ladegerät 12 verbunden
sind und elektronisch an jedes andere über das Ladegerät 12 verbunden
werden können.
Dies wird dadurch erreicht, dass Möglichkeiten an dem Ladegerät zum mechanischen
Empfangen der verschiedenen Komponenten und typischerweise eine
Mehrzahl elektronischer Kontakte, die in den Anschlüssen angebracht sind,
zur Verfügung
gestellt werden, die zu entsprechenden elektrischen Kontakten auf
den verschiedenen Komponenten passen. Durch diese Kontakte können sowohl
elektrische Leistung als auch Signale zwischen den Komponenten übertragen
werden. Es gibt zahllose Mittel, mit denen elektrische Geräte auf diese
Weise verbunden werden können.
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Die
Energieversorgung 14 ist mit einer AC-Stromquelle 22 verbunden
und stellt einen geregelten DC-Spannungspegel am Ausgang 24 zur
Verfügung.
Der Eingang 26 empfängt
einen Rückkopplungsspannungspegel
von den anderen Komponenten, die hier im Folgenden beschrieben wird,
und stellt den Ausgangsspannungspegel am Ausgang 24 ein,
sodass dieser um einem vorgewählten
Betrag oberhalb des Rückkopplungsspannungspegels
liegt. Alle Systemkomponenten werden von der Ausgangsspannung der
Energieversorgung versorgt, indem der Ausgangsspannungspegel reguliert
wird. Beispielsweise würde
das Ladegerät
typischerweise einen 5-Volt- oder einen 3,3-Volt-Regler enthalten, um seine internen
Schaltungskomponenten mit Energie zu versorgen. In der vorliegenden
Erfindung ist der Rückkopplungsspannungspegel
die Spannung einer Batterie, die durch das System geladen wird.
Dies ermöglicht
die Verwendung eines linearen Reglers, um eine Batterieladsteuerung
zur Verfügung
zu stellen, da der Ausgangsspannungspegel des Ladegeräts bei einem
minimalen Pegel oberhalb der Sättigungsspannung
des Pass-Transistors, der für
die lineare Regelung verwendet wird, gehalten werden kann und demzufolge
die Wärmeerzeugung,
die mit linearen Reglern verbunden ist, beträchtlich reduziert wird. Insbesondere
wird durch das Minimieren der Oberspannung ("overhead voltage") die von dem linearen Regler verbrauchte
Leistung auf ihr niedrigstes Niveau reduziert, was den linearen
Regler nahezu genauso effizient macht wie einen vom Schaltmodustyp.
Demzufolge liegt der bevorzugte Spannungsbetrag bei ungefähr 1,4 Volt
oberhalb des Rückkopplungsspannungspegels.
Durch eine wesentliche Reduzierung der Wärmeerzeugung kann der lineare Regler
in einem sehr kleinen elektrischen Gerät angeordnet werden, wie etwa
einem zellularen Telefon, wodurch das Gerät in die Lage versetzt wird,
eine Batterie zu laden, die durch ein Ladegerät nicht zugänglich ist.
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Entsprechend
umfasst das elektrische Gerät 16 eine
wiederaufladbare interne Batterie 30, eine Ladeschaltung 32 und
einen Controller 34, ebenso sind Mittel zum elektrischen
Verbinden des elektrischen Geräts 16 mit
dem Ladegerät 12 durch
das Ladegerät 12 zur
Verfügung
gestellt. Die interne Batterie 30 kann zu einem separaten
Laden von dem elektrischen Gerät 16 entfernt
werden. Der Ausgang 24 der Energieversorgung ist mit der
Ladeschaltung 32 des Geräts über das Ladegerät 12 verbunden.
Der Ladeschaltkreis versorgt im Gegenzug die interne Batterie mit
einem regulierten Strompegel, um die Batterie wieder aufzuladen.
Die Ladeschaltung 32 spricht auf den Controller 34 des
Geräts
an, der bestimmt, wann das Laden der Batterie gestoppt wird und
der die Ladeschaltung 32 so steuern kann, dass die Ladeschaltung
den richtigen Stromausgabepegel für die bestimmte Batterie, die
wieder aufgeladen wird, zur Verfügung
stellt. Die Spannung der Batterie wird an die Energieversorgung 14 über das
Ladegerät 12 an
den Eingang der Energieversorgung als Rückkopplungsspannungspegel rückgekoppelt,
sodass lediglich die minimal notwendige Spannung durch die Energieversorgung
zur Verfügung
gestellt wird.
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Zusätzlich zum
Steuern der internen Ladeschaltung 32 ist der Controller 34 mit
einem Kommunikationsbus 36, wie etwa RS-232, 3-Wire oder
SCSI ("SCSI = small
computer systems interface")/kleine Schnittstelle
für Computersysteme),
zum Kommunizieren mit anderen Systemkomponenten verbunden. Es wird
ein Puffer 37 in dem Ladegerät 12 zum Zwischenspeichern
von Daten während
Buskommunikationen zur Verfügung
gestellt, wie im Stand der Technik üblich. Insbesondere kann mit
einem peripheren Gerät 20,
das mit dem peripheren Port 38 des Ladegeräts 12 verbunden
ist, kommuni ziert werden. Der periphere Port 38 ist eine
Vorrichtung zum elektrischen Verbinden des peripheren Geräts mit dem
Ladegerät.
Beispiele derartiger peripherer Geräte enthalten Personalcomputer
und Faxmodem zur drahtlosen Übertragung.
Sowohl Steuer- als auch Dateninformationen können über den Bus 36 übertragen werden.
Verschiedene periphere Geräte
können
parallel zu dem Bus verbunden werden, jedes mit einer einzigartigen
Adresse.
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Zusätzlich kann
der Puffer verwendet werden, um die richtige Verschiebung der Spannung
im Kommunikationsprotokoll zur Verfügung zu stellen. Da es einen
Trend in Richtung niedrigerer Spannungspegel in digitalen Systemen
gibt, wie etwa von 5 Volt auf 3,3 Volt, ist es bevorzugt, dass das
Ladegerät
in der Lage ist, mit anderen Geräten
ohne Rücksicht
auf den digitalen Spannungspegel zu kommunizieren. Beispielsweise
kann ein zellulares Telefon mit einem Satz an Telefonnummern ein 3-Volt-System
sein. Der Anwender, der die Telefonnummern in einem Computer speichern
möchte,
würde das
Telefon in das Ladegerät
einführen
und den Computer über
ein geeignetes Kabel mit dem peripheren Port des Ladegeräts verbinden.
Da der Computer wahrscheinlich bei höheren Spannungspegeln arbeitet,
stellt der Puffer die richtige Pegelverschiebung in beide Richtungen
zwischen den Kommunikationsgeräten
sicher.
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Um
die Anwendbarkeit des Systems zu maximieren, ist es bevorzugt, dass
das Ladegerät 12 in der
Lage ist, mindestens eine zusätzliche
oder eine externe Batterie 18 aufzuladen. Dies wird durch
das Bereitstellen eines externen Batterieanschlusses zum mechanischen
Aufnehmen und zum elektrischen Verbinden des Ladegeräts 12 mit
der externen Batterie 18 erreicht. Um das Laden der externen
Batterie 18 zu erreichen, benötigt das Ladegerät 12 einen
Stromregler 40, eine Steuerschaltung 42 und mindestens
zwei Schalter 44 und 46. Die Steuerschaltung 42 umfasst
vorzugsweise einen Mikroprozessor, wie etwa den MC68HC05B6, hergestellt
von Motorola Inc., und ein EPROM oder andere nicht-flüchtige Speicher
zum Speichern eines Befehlssatzes und zum Ermöglichen von Veränderungen
in dem Produkt, sowie es in der Hand des Verbrauchers ist. Der Stromregler 40 kann
entweder einer vom Lineartyp oder einer vom Schaltmodustyp sein.
Beide Typen sind im Stand der Technik gut bekannt und die Vorteile
und Nachteile jedes müssen vom
Konstrukteur des Systems 10 dahingehend abgewogen werden
was für
die bestimmte Anwendung besser geeignet ist. Der Stromregler wird
durch die Steuerschaltung 42 unter Bezugnahme auf einen Stromregelpegel
durch mindestens eine Leitung 48 gesteuert. Diese Leitung 48 kann
entweder eine Steuerung vom Typ An/Aus oder ein Bezugspegel sein,
der durch die Steuerschaltung 42 zur Verfügung gestellt
wird. Vorzugsweise werden zwei Leitungen verwendet, die Leitung 48 für die An/Aus-Steuerung und
die Leitung 50 zum Bereitstellen des Bezugspegels. Der
Regel-Ausgang 52 speist
die externe Batterie 18 und die nachfolgend erzeugte Spannung
wird dem Energieversorgungseingang 26 als ein Rückkopplungsspannungspegel über den
Schalter 44 rückgekoppelt.
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Die
Schalter 44 und 46 sind notwendig, wenn das System
in der Lage ist, mehr als eine Batterie zu laden und sind dann vorzugsweise
Transistorschalter wie etwa MOSFETs. Da der Ausgangsspannungspegel
der Energieversorgung durch die Rückkopplungsspannung bestimmt
ist, die von der bestimmten Batterie zur Verfügung gestellt wird, die geladen
wird, ob nun eine interne Batterie 30 oder eine externe
Batterie 18 ist. Demzufolge sollte lediglich die Batteriespannung
der bestimmten Batterie, die geladen wird, an den Eingang 26 der
Energieversorgung gespeist werden, unter des Ausschlusses jeglicher
anderer Batteriespannung. Dementsprechend überwacht die Steuerschaltung 42 das
System, um zu bestimmen, welche Batterie geladen wird und schließt den entsprechenden
Schalter. Entweder der Schalter 44 oder der Schalter 46 wird
geschlossen und der andere wird geöffnet. Sollte das Ladegerät 12 im
Laden einer externen Batterie für
den Zeitpunkt begriffen sein, wenn ein elektrisches Gerät 16 zum
ersten Mal mit dem System verbunden wird und die interne Batterie 30 des
Geräts 16 benötigt ein
Laden, kommuniziert das Gerät 16 dieses
an die Steuerschaltung 42 über den Bus 36 oder über eine
separate Leitung wie etwa der Informationsleitung 28. Die
Steuerschaltung schaltet dann den Schalter 44 aus und den
Schalter 46 ein, wodurch es dem Gerät 16 ermöglicht wird, seine
interne Batterie 30 zu laden. Wenn das Gerät 16 fertig
ist, benachrichtigt das Gerät
die Steuerschaltung über
den Bus 36 und das Ladegerät nimmt das Laden der externen
Batterie wieder auf. Die externe Batterie 18 stellt vorzugsweise
ein Temperaturanzeigesignal 54 zur Verfügung, sodass das Ladegerät 12 die
Temperatur der Batterie 18 überwachen kann. Zusätzlich kann
die Batterie 18 ein Datensignal 56 zur Verfügung stellen,
um Parameter wie etwa die Kapazität der Batterie und die Chemie
der Batterie anzuzeigen.
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Zusätzlich zu
dem Eingang und dem Ausgang, der durch die Energieversorgung 14 zur
Verfügung
gestellt wird, kann zusätzlich
eine Informationsleitung 28 zur Verfügung gestellt werden. Diese
Leitung ermöglicht
Systemkomponenten, die Energieversorgung 14 abzufragen,
um unter anderen Para metern die Ausgangskapazität zu bestimmen, d.h. den maximalen
Stromausgangspegel der Energieversorgung. Diese Information hilft
den Systemkomponenten zu entscheiden, wie die elektrische Leistung
zu verteilen ist. Wenn beispielsweise ein Gerät eine Batterie bei einem Strompegel
x lädt
und das Gerät
einige andere Operationen Durchführen
muss, die einen Strompegel y benötigen
und wenn x + y den maximalen Stromausgangspegel der Energieversorgung übersteigt,
könnte
das Gerät
die augenblickliche Ladungsschaltung abschalten, während es
die anderen Operationen durchführt.
Auf diese weise können
Energieversorgungen klein gehalten werden, da sie nicht alle Systemkomponenten
gleichzeitig mit maximaler Energie zu einem bestimmten Zeitpunkt versorgen
müssen.
Dies ergibt eine Art Energieeinteilung.
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Die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung stellen demzufolge ein System zur Verfügung, das
es ermöglicht,
tragbare elektrische Geräte mit
peripheren Geräten
zu verbinden, während
eine oder mehrere Batterien geladen werden. Es ermöglicht die
Reduzierung der Anzahl an Kontakten, die durch die Batterien zur
Verfügung
gestellt werden, da das elektrische Gerät selbst seine eigene Ladesteuerschaltung
trägt.
Durch das Ermöglichen
einer Kommunikation zwischen den Komponenten kann eine Art von Energieeinteilung
eingebaut werden, was es der Energieversorgung ermöglicht,
kleiner zu sein als es üblicherweise
benötigt
wird.