Title:
Verfahren und Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektronischen Geräts
Kind Code:
A1
Abstract:

Es wird ein Verfahren zum Überwachen eines Vorgangs der Energieversorgung eines elektronischen Geräts durch eine Kabelbaugruppe vorgeschlagen. Die Kabelbaugruppe umfasst ein Kabel, das zwischen einem Netzteil und dem elektronischen Gerät angeschlossen ist. Das Verfahren umfasst das Erzeugen eines Synchronisationssignals, das Erzeugen eines Testsignals basierend auf dem Synchronisationssignal und das Anlegen des Testsignals an ein Ende des Kabels, das Detektieren eines Antwortsignals an dem einen Ende des Kabels, wobei sich das Antwortsignal aus dem Anlegen des Testsignals an die Kabelbaugruppe ergibt, und das Bestimmen, basierend auf dem Antwortsignal und dem Synchronisationssignal, einer ersten und einer zweiten Größe, welche einen Realteil bzw. einen Imaginärteil der Impedanz der Kabelbaugruppe angeben. Ferner wird eine Vorrichtung zum Überwachen eines Vorgangs der Energieversorgung eines elektronischen Geräts durch eine Kabelbaugruppe vorgeschlagen.



Inventors:
Knoedgen, Horst (82110, Germering, DE)
Malinin, Andrey B., Calif. (Campbell, US)
Strohmayer, Klaus (Graz, AT)
Application Number:
DE102016210185A
Publication Date:
08/10/2017
Filing Date:
06/09/2016
Assignee:
(Dialog Semiconductor (UK) Limited, London, GB)
DIALOG SEMICONDUCTOR INC. (Calif., Campbell, US)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE19756100A1N/A1998-10-08
Attorney, Agent or Firm:
MERH-IP Matias Erny Reichl Hoffmann Patentanwälte PartG mbB, 80336, München, DE
Claims:
1. Vorrichtung zur Überwachung eines Vorgangs der Energieversorgung eines elektronischen Geräts durch eine Kabelbaugruppe, wobei die Kabelbaugruppe ein zwischen einem Netzteil und dem elektronischen Gerät angeschlossenes Kabel umfasst, wobei die Vorrichtung umfasst:
einen Synchronisationssignalgenerator, der zum Erzeugen eines Synchronisationssignal bei einer vorbestimmten Frequenz konfiguriert ist;
einen Testsignalgenerator, der konfiguriert ist, um ein Testsignal basierend auf dem Synchronisationssignal zu erzeugen und das Testsignal an ein Ende des Kabels anzulegen;
eine Filtereinheit, die konfiguriert ist, um ein Antwortsignal an dem einen Ende des Kabels zu detektieren, wobei sich das Antwortsignal aus dem Anlegen des Testsignals an die Kabelbaugruppe ergibt; und
eine Impedanzschätzeinheit, die konfiguriert ist, um basierend auf dem Antwortsignal und basierend auf dem Synchronisationssignal, eine erste Größe, die einen Realteil einer Impedanz der Kabelbaugruppe angibt, und eine zweite Größe, die einen Imaginärteil der Impedanz der Kabelbaugruppe angibt, zu bestimmen.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Impedanzschätzeinheit ferner umfasst
eine erste Schalteinheit, die konfiguriert ist, um, ausgelöst durch das Synchronisationssignal, das Antwortsignal an einen Eingang eines ersten Tiefpassfilters anzulegen; und
eine zweite Schalteinheit, die konfiguriert ist, um, ausgelöst durch eine invertierte Version des Synchronisationssignals, das Antwortsignal an einen Eingang eines zweiten Tiefpassfilters anzulegen.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Impedanzschätzeinheit ferner einen Inverter umfasst, das Synchronisationssignal an einen Eingang das Inverters angelegt wird, der Ausgang des Inverters mit einem Steuereingang der zweiten Schalteinheit verbunden ist, und der Inverter konfiguriert ist, um das Synchronisationssignal an seinem Eingang zu invertieren und die invertierte Version des Synchronisationssignals auszugeben.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Impedanzschätzeinheit ferner Folgendes umfasst eine Differenzbestimmungseinheit, angeschlossen an einen Ausgang des ersten Tiefpassfilters und an einen Ausgang des zweiten Tiefpassfilters, wobei die Differenzbestimmungseinheit konfiguriert ist, um die erste Größe durch Bestimmen einer Differenz zwischen einem ersten Signal am Ausgang des ersten Tiefpassfilters und einem zweiten Signal am Ausgang des zweiten Tiefpassfilters zu bestimmen.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei
die Vorrichtung konfiguriert ist, um ein verschobenes Synchronisationssignal durch Verschieben einer Phase des Synchronisationssignals um 90 Grad zu erzeugen,
die erste Schalteinheit konfiguriert ist, um, ausgelöst durch das verschobene Synchronisationssignal, das Antwortsignal an dem Eingang des ersten Tiefpassfilters anzulegen,
die zweite Schalteinheit konfiguriert ist, um, ausgelöst durch eine invertierte Version des verschobenen Synchronisationssignals, das Antwortsignal an dem Eingang des zweiten Tiefpassfilters anzulegen, und
die Differenzbestimmungseinheit konfiguriert ist, um die zweite Größe durch Bestimmen einer Differenz zwischen einem ersten Signal am Ausgang des ersten Tiefpassfilters und einem zweiten Signal am Ausgang des zweiten Tiefpassfilters zu bestimmen.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Filtereinheit einen Bandpassfilter umfasst, der konfiguriert ist, um das Antwortsignal bei der vorbestimmten Frequenz herauszufiltern.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Filtereinheit einen Hochpassfilter umfasst, aufweisend
einen Eingangskondensator, angeordnet zwischen einem Eingang des Hochpassfilters und einem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers;
einen Rückkopplungswiderstand, angeordnet zwischen dem Ausgang des Hochpassfilters und einem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers;
einen zweiten Widerstand, angeordnet zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und einer Referenzspannung;
den Operationsverstärker, wobei ein Ausgang des Operationsverstärkers an den Ausgang des Hochpassfilters angeschlossen ist; und
einen Schalter, der konfiguriert ist, um den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers mit der Referenzspannung zu verbinden.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei der Schalter konfiguriert ist, um, ausgelöst durch das Synchronisationssignal, den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers mit der Referenzspannung zu verbinden.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei der Schalter einen n-Typ- und einen p-Typ-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor MOSFET umfasst, wobei eine Source des n-Typ-MOSFET mit einem Drain des p-Typ-MOSFET verbunden ist und ein Drain des n-Typ-MOSFET mit einer Source des p-Typ-MOSFET verbunden ist, und eine invertierte Version des Synchronisationssignals entweder an ein Gate des p-Typ-MOSFET oder an ein Gate des n-Typ-MOSFET angelegt wird.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Filtereinheit einen Bandpassfilter umfasst, aufweisend
ein Eingangskondensator, angeordnet zwischen einem Eingang des Bandpassfilters und einem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers;
den Operationsverstärker, wobei ein nicht-invertierender Eingang des Operationsverstärkers mit einer Referenzspannung verbunden ist und ein Ausgang des Operationsverstärkers mit einem Ausgang des Bandpassfilters verbunden ist;
einen Rückkopplungskondensator, angeordnet zwischen dem Ausgang des Bandpassfilters und einem Zwischenknoten;
einen ersten Rückkopplungswiderstand, angeordnet zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und dem Zwischenknoten;
einen zweiten Rückkopplungswiderstand, angeordnet zwischen dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und dem Zwischenknoten; und
einen dritten Rückkopplungswiderstand, angeordnet zwischen dem Ausgang des Bandpassfilters und dem Zwischenknoten.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Testsignal sinusförmig ist.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Testsignal eine zeitabhängige Stromvariation ist und das Antwortsignal eine zeitabhängige Spannungsvariation ist.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner konfiguriert ist, um ein Signal zum Justieren eines Strom- und/oder Spannungs-Ausgangs des Netzteils basierend auf der bestimmten ersten Größe und/oder zweiten Größe zu erzeugen.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Kabel ein einsteckbares Kabel mit standardisierten Steckanschlüssen ist.

15. Verfahren zum Überwachen eines Vorgangs der Energieversorgung eines elektronischen Geräts durch eine Kabelbaugruppe, wobei die Kabelbaugruppe ein zwischen einem Netzteil und dem elektronischen Gerät angeschlossenes Kabel umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
Erzeugen eines Synchronisationssignals bei einer vorbestimmten Frequenz unter Verwendung eines Synchronisationssignalgenerators;
Erzeugen eines Testsignals basierend auf dem Synchronisationssignal und Anlegen des Testsignals an ein Ende des Kabels unter Verwendung eines Testsignalgenerators;
Detektieren eines Antwortsignals an dem einen Ende der Kabels, wobei sich das Antwortsignal aus dem Anlegen des Testsignals an die Kabelbaugruppe ergibt, unter Verwendung einer Filtereinheit; und
Bestimmen, basierend auf dem Antwortsignal und dem Synchronisationssignal, einer ersten Größe, die einen Realteil einer Impedanz der Kabelbaugruppe angibt, und einer zweiten Größe, die einen Imaginärteil der Impedanz der Kabelbaugruppe angibt, unter Verwendung einer Impedanzschätzeinheit.

16. Verfahren gemäß Anspruch 15, umfassend:
Anschließen des Antwortsignals an einen Eingang eines ersten Tiefpassfilters zu Zeiten, die durch das Synchronisationssignal angegeben werden, und Isolieren des Eingangs des ersten Tiefpassfilters von dem Antwortsignal zu Zeiten, die durch das Synchronisationssignal angegeben werden;
Anschließen des Antwortsignals an einen Eingang eines zweiten Tiefpassfilters zu Zeiten, die durch eine invertierte Version des Synchronisationssignals angegeben werden, und Isolieren des Eingangs des zweiten Tiefpassfilters von dem Antwortsignal zu Zeiten, die durch die invertierte Version des Synchronisationssignals angegeben werden; und
Bestimmen der ersten Größe durch Bestimmung einer Differenz zwischen einem ersten Signal am Ausgang des ersten Tiefpassfilters und einem zweiten Signal am Ausgang des zweiten Tiefpassfilters.

17. Verfahren gemäß Anspruch 15, umfassend
Erzeugen eines verschobenen Synchronisationssignals durch Verschieben einer Phase des Synchronisationssignals um 90 Grad;
Anschließen des Antwortsignals an einen Eingang eines ersten Tiefpassfilters zu Zeiten, die durch das verschobene Synchronisationssignal angegeben werden, und Isolieren des Eingangs des ersten Tiefpassfilters von dem Antwortsignal zu Zeiten, die durch das verschobene Synchronisationssignal angegeben werden;
Anschließen des Antwortsignals an einen Eingang eines zweiten Tiefpassfilters zu Zeiten, die durch eine invertierte Version des verschobenen Synchronisationssignals angegeben werden, und Isolieren des Eingangs des zweiten Tiefpassfilters von dem Antwortsignal zu Zeiten, die durch die invertierte Version des verschobenen Synchronisationssignals angegeben werden;
Bestimmen der zweiten Größe durch Bestimmung einer Differenz zwischen einem ersten Signal am Ausgang des ersten Tiefpassfilters und einem zweiten Signal am Ausgang des zweiten Tiefpassfilters.

18. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Impedanzschätzeinheit ferner umfasst
eine erste Schalteinheit, um, ausgelöst durch das Synchronisationssignal, das Antwortsignal an einen Eingang eines ersten Tiefpassfilters anzulegen; und
eine zweite Schalteinheit um, ausgelöst durch eine invertierte Version des Synchronisationssignals, das Antwortsignal an einen Eingang eines zweiten Tiefpassfilters anzulegen.

19. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei die Impedanzschätzeinheit ferner einen Inverter umfasst, das Synchronisationssignal an einen Eingang des Inverters angelegt wird, der Ausgang des Inverters mit einem Steuereingang der zweiten Schalteinheit verbunden wird, und der Inverter das Synchronisationssignal an seinem Eingang invertiert und die invertierte Version des Synchronisationssignals ausgibt.

20. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei die Impedanzschätzeinheit ferner Folgendes umfasst eine Differenzbestimmungseinheit, die mit einem Ausgang des ersten Tiefpassfilters und mit einem Ausgang des zweiten Tiefpassfilters verbunden ist, wobei die Differenzbestimmungseinheit die erste Größe durch Bestimmen einer Differenz zwischen einem ersten Signal am Ausgang des ersten Tiefpassfilters und einem zweiten Signal am Ausgang des zweiten Tiefpassfilters bestimmt.

21. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei
ein verschobenes Synchronisationssignal durch Verschieben einer Phase des Synchronisationssignals um 90 Grad erzeugt wird,
die erste Schalteinheit, ausgelöst durch das verschobene Synchronisationssignal, das Antwortsignal an den Eingang des ersten Tiefpassfilters anlegt,
die zweite Schalteinheit, ausgelöst durch eine invertierte Version des verschobenen Synchronisationssignals, das Antwortsignal an den Eingang des zweiten Tiefpassfilters anlegt, und
die Differenzbestimmungseinheit die zweite Größe durch Bestimmen einer Differenz zwischen einem ersten Signal am Ausgang des ersten Tiefpassfilters und einem zweiten Signal am Ausgang des zweiten Tiefpassfilters bestimmt.

22. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Filtereinheit einen Bandpassfilter umfasst, der das Antwortsignal in einem vorbestimmten Frequenzband herausfiltert.

23. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Filtereinheit einen Hochpassfilter umfasst, aufweisend
einen Eingangskondensator, angeordnet zwischen einem Eingang des Hochpassfilters und einem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers;
einen Rückkopplungswiderstand, angeordnet zwischen dem Ausgang des Hochpassfilters und einem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers;
einen zweiten Widerstand, angeordnet zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und einer Referenzspannung;
den Operationsverstärker, wobei ein Ausgang des Operationsverstärkers mit dem Ausgang des Hochpassfilters verbunden ist; und
ein Schalter den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers mit der Referenzspannung verbindet.

24. Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei der Schalter, ausgelöst durch das Synchronisationssignal, den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers mit der Referenzspannung verbindet.

25. Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei der Schalter einen n-Typ- und einen p-Typ-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor MOSFET umfasst, wobei eine Source des n-Typ-MOSFET mit einem Drain des p-Typ-MOSFET verbunden ist und ein Drain des n-Typ-MOSFET mit einer Source des p-Typ-MOSFET verbunden ist, und eine invertierte Version des Synchronisationssignals entweder an ein Gate des p-Typ-MOSFET oder an ein Gate des n-Typ-MOSFET angelegt wird.

26. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Filtereinheit einen Bandpassfilter umfasst, aufweisend
einen Eingangskondensator, angeordnet zwischen einem Eingang des Bandpassfilters und einem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers;
den Operationsverstärker, wobei ein nicht-invertierender Eingang des Operationsverstärkers mit einer Referenzspannung verbunden ist und ein Ausgang des Operationsverstärker mit einem Ausgang des Bandpassfilters verbunden ist;
einen Rückkopplungskondensator, angeordnet zwischen dem Ausgang des Bandpassfilters und einem Zwischenknoten;
einen ersten Rückkopplungswiderstand, angeordnet zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und dem Zwischenknoten;
einen zweiten Rückkopplungswiderstand, angeordnet zwischen dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und dem Zwischenknoten; und
einen dritten Rückkopplungswiderstand, angeordnet zwischen dem Ausgang des Bandpassfilters und dem Zwischenknoten.

27. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Testsignal sinusförmig ist.

28. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Testsignal eine zeitabhängige Stromvariation ist und das Antwortsignal eine zeitabhängige Spannungsvariation ist.

29. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei ein Signal zum Justieren eines Strom- und/oder Spannungs-Ausgangs des Netzteils basierend auf der bestimmten ersten Größe und/oder zweiten Größe erzeugt wird.

30. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Kabel ein einsteckbares Kabel mit standardisierten Steckanschlüssen ist.

Description:
Technisches Gebiet

Diese Anmeldung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Überwachung eines Vorgangs zur Versorgung eines elektronischen Geräts mit Energie, wie z.B. eines Vorgangs des Betreibens oder Aufladens eines akkubetriebenen tragbaren Gerätes. Das Verfahren und die Vorrichtung sind insbesondere auf Ladevorgänge von tragbaren Geräten, wie Mobiltelefonen, PDAs, Tablet-Computern und Notebooks, über einsteckbare standardisierte Kabel, wie USB-Kabel, anwendbar.

Hintergrund

Verfahren zur Energieversorgung tragbarer Geräte über Kabel sind im Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel kann ein akkubetriebenes Gerät geladen werden, indem man es über ein einsteckbares (abnehmbares) standardisiertes Kabel, wie ein "Universal Serial Bus"- bzw. USB-Kabel, mit einem Netzadapter bzw. Steckdosen-Adapter, der einen Leistungskonverter beinhaltet, verbindet. Eine Ladeschaltung in dem akkubetriebenen Gerät ist für das Begrenzen des durch das standardisierte Kabel eingespeisten Stroms verantwortlich, um eine Überhitzung von Steckanschlüssen und des Kabels selbst zu verhindern. Da es standardisiert ist, kann das Kabel, das den Steckdosen-Adapter mit dem mobilen Gerät verbindet, durch ein beliebiges anderes Kabel ersetzt werden, dessen Steckanschlüsse dem gleichen Standard zu entsprechen scheinen, aber das von geringerer Qualität ist (Substandard-Kabel). Daher muss der Stromgrenzwert niedrig genug eingestellt werden, so dass minderwertige Kabel oder eine erhöhte Steckanschluss-Impedanz, die durch Steckanschluss-Verschleiß im Laufe der Zeit oder zwischen dem Stecker und der Buchse eingefangenen Schmutz verursacht wird, kein Sicherheitsrisiko während des Aufladens darstellen werden. Andere sicherheitskritische Situationen können entstehen, wenn die Energieversorgungsstifte der beiden Steckanschlüsse nicht richtig miteinander verbunden sind.

Bei bestehenden Lösungen basiert der Stromgrenzwert auf Vorgaben der entsprechenden Norm, z.B. Spezifikationen des USB-Standards, und auf seitens des Geräteherstellers vorgenommenen Evaluierungen.

Allerdings berücksichtigen solche bestehenden Lösungen nicht abnehmbare Kabel von geringer Qualität, deren Steckanschlüsse dem gegebenen Standard nur scheinbar genügen (d.h. physikalisch in entsprechende Aufnahmebuchsen des mobilen Geräts und des Steckdosen-Adapters passen), die aber an sich die Spezifikationen des gegebenen Standards nicht erfüllen (d.h. minderwertige bzw. Substandard-Kabel). Die Verwendung solcher abnehmbaren Kabel kann zu Schäden am Steckdosen-Adapter oder dem akkubetriebenen Gerät führen. Im schlimmsten Fall können der Steckdosen-Adapter, das Kabel, einer der Steckanschlüsse oder die Ladeschaltung innerhalb des akkubetriebenen Geräts thermisch zerstört werden. Außerdem berücksichtigen solche bestehenden Lösungen nicht eine Erhöhung der Impedanz eines Kabels, die durch Staub oder durch Verschleiß verursacht wird. Des Weiteren kann das feste Einstellen des Stromgrenzwerts auf Grundlage von Spezifikationen der einschlägigen Norm nicht ermöglichen, das akkubetriebene Gerät unter allen Umständen mit dem höchstmöglichen Strom aufzuladen, insbesondere dann, wenn Sicherheitsmargen berücksichtigt werden. Somit können Lösungen des Stands der Technik nicht in der Lage sein, die kürzest mögliche Ladezeit für das akkubetriebene Gerät zu erzielen.

Zusammenfassung

Es besteht ein Bedarf für eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen der Qualität eines Kabels, das während eines Vorgangs der Energieversorgung (z.B. des Aufladens) eines elektronischen Geräts (z.B. eines akkubetriebenen Geräts) verwendet wird, und zur dynamischen Begrenzung der Eingangsleistung während des Vorgangs der Energieversorgung abhängig von der detektierten Qualität des Kabels. Im Hinblick auf dieses Problem stellt das vorliegende Dokument ein Verfahren für das Überwachen eines Vorgangs zur Versorgung eines elektronischen Geräts mit Energie und eine Vorrichtung für das Überwachen eines Vorgangs der Versorgung eines elektronischen Geräts mit Energie bereit.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Vorgangs der Energieversorgung eines elektronischen Geräts durch eine Kabelbaugruppe bzw. Kabelanordnung. Die Kabelbaugruppe umfasst ein Kabel, das zwischen einem Netzteil bzw. einer Energieversorgung und dem elektronischen Gerät angeschlossen ist. Das Netzteil kann ein Steckdosenadapter sein, der einen Wechsel/Gleichstrom(AC/DC)-Wandler umfasst, der zum Beispiel nach dem USB-Standard arbeitet. Die Vorrichtung umfasst einen Synchronisationssignalgenerator, einen Testsignalgenerator, eine Filtereinheit und eine Impedanzschätzeinheit. Der Synchronisationssignalgenerator ist konfiguriert, um ein Synchronisationssignal einer gegebenen Form bei einer vorbestimmten Frequenz zu erzeugen. Der Testsignalgenerator ist konfiguriert, um, basierend auf dem Synchronisationssignal, ein Testsignal, z.B. ein sinusförmiges Signal, mit der vorbestimmten Frequenz zu erzeugen und das Testsignal an ein Ende des Kabels anzulegen. Die Filtereinheit ist konfiguriert, um ein Antwortsignal an dem einen Ende des Kabels zu erfassen oder herauszufiltern, wobei sich das Antwortsignal aus dem Anlegen des Testsignals an die Kabelbaugruppe ergibt. Ferner ist die Impedanzschätzeinheit konfiguriert, um, basierend auf dem Antwortsignal und basierend auf dem Synchronisationssignal, eine erste Größe, die für einen Realteil einer Impedanz der Kabelbaugruppe bezeichnend ist bzw. diesen angibt, und eine zweite Größe, die einen Imaginärteil der Impedanz der Kabelbaugruppe angibt, zu bestimmen.

Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht es, sowohl den Realteil als auch den Imaginärteil der komplexen Impedanz der Kabelbaugruppe zu schätzen. Eine komplexe Impedanz liefert zusätzliche Informationen über die Kabelbaugruppe im Vergleich zu bisherigen Lösungen, die lediglich den Absolutwert der komplexen Impedanz messen. Beispielsweise kann aus dem Wert des Imaginärteils der komplexen Impedanz auf die Länge des Kabels geschlossen werden.

Darüber hinaus weist die beschriebene Vorrichtung den Vorteil auf, dass die Messung während eines Vorgangs der Energieversorgung/Aufladung des elektronischen Geräts durchgeführt werden kann. Auf diese Weise wird eine Unterbrechung des Ladevorgangs vermieden. Insbesondere wird es mit Hilfe der Filtereinheit möglich, das Antwortsignal vom aus der Ladeschaltung und anderen Teilen der Kabelbaugruppe herrührenden Rauschen herauszufiltern.

Das Kabel kann ein einsteckbares (abnehmbares) Kabel, z.B. mit standardisierten Steckanschlüssen an jedem Ende des Kabels, sein. Es versteht sich, dass die Kabelbaugruppe alle relevanten Teile des Energieübertragungswegs betrifft und z.B. die Steckanschlüsse des Kabels, jedwede Leiterplatten-(PCB)-Bahnen und das Kabel selbst einschließen kann.

Das Synchronisationssignal ist ein periodisches Signal, das durch den Synchronisationssignalgenerator bei der vorbestimmten Frequenz erzeugt wird. Das Synchronisationssignal kann z.B. ein Taktsignal sein, das zwischen einem hohen Zustand und einem niedrigen Zustand oszilliert. Zum Beispiel kann der hohe Zustand einem logischen Wert von +1 entsprechen, wohingegen der niedrige Zustand einem logischen Wert von –1 entsprechen kann. Das Synchronisationssignal wird verwendet, um die Erzeugung des Testsignals am Testsignalgenerator mit der Bestimmung der ersten und der zweiten Größe an der Impedanzschätzeinheit zu synchronisieren. Im einfachsten Fall kann das Synchronisationssignal eine Rechteckwelle mit einem Tastverhältnis von 50% sein. Jedoch können komplexere Wellenformen verwendet werden. Das Synchronisationssignal kann Aktionen an der Impedanzschätzeinheit und an dem Testsignalgenerator bei einer ansteigenden Kante bzw. Flanke, einer abfallenden Flanke oder sowohl an der ansteigenden Flanke als auch der abfallenden Flanke des Synchronisationssignals auslösen.

Unter Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung zum Überwachen eines Vorgangs der Energieversorgung eines elektronischen Geräts können mehrere Messungen bei unterschiedlichen Frequenzen des Synchronisierungssignals durchgeführt werden. Darüber hinaus können die Amplituden des Testsignals bei verschiedenen Messungen variiert werden. Durch Vergleichen der erhaltenen ersten und zweiten Größen können eine optimale Frequenz des Synchronisationssignals und eine optimale Amplitude des Testsignals zum Schätzen des Realteils und des Imaginärteils der komplexen Impedanz bestimmt werden. Durch Ändern der Frequenz kann ein besseres Signal-zu-Rauschen-Verhältnis erhalten werden. Zum Beispiel wird ein AC/DC-Wandler im Netzteil (z.B. ein geschalteter Leistungswandler in einem Steckdosen-Adapter) ein gewisses mit der speziellen Frequenz zusammenhängendes Rauschen (z.B. durch den Schaltvorgang) erzeugen, und das Testsignal sollte so beschaffen sein, dass es nicht die gleiche Frequenz aufweist, um klar von dem Schaltrauschen trennbar zu sein. Darüber hinaus sollte die Resonanzfrequenz des Kabels (die zuvor nicht bekannt sein kann) vermieden werden. Somit kann es vorteilhaft sein, unterschiedliche Frequenzen für das Synchronisations- und das Testsignal zu verwenden und auszutesten, welche davon am besten funktioniert.

Im Allgemeinen kann das Testsignal ein sinusförmiges Signal sein. Das Testsignal wird mit dem Synchronisationssignal synchronisiert und weist die gleiche vorbestimmte Frequenz wie das Synchronisationssignal auf. Zum Beispiel kann die positive Halbwelle des Testsignals mit dem Synchronisationssignal, das sich in dem hohen Zustand befindet, synchronisiert werden, und eine negative Halbwelle des Testsignals kann während Zeiten auftreten, wenn sich das Synchronisationssignal im niedrigen Zustand befindet. Typische Frequenzen des Testsignals und des Synchronisationssignals können z. B. im Bereich von 1 kHz bis 50 kHz liegen. Die Amplitude des Testsignals kann klein sein im Vergleich zu der Gleichspannung, die verwendet wird, um das elektronische Gerät mit Energie zu versorgen. Außerdem kann sie in Bezug auf das Rauschen des AC/DC-Wandlers sehr klein sein (z.B. 0,1% des Rauschens des AC/DC-Wandlers).

Das Testsignal kann eine zeitabhängige Stromvariation oder eine zeitabhängige Spannungsvariation sein. Nichtsdestoweniger ist das Testsignal vorzugsweise eine zeitabhängige Stromvariation, die, wenn sie an einem Ende des Kabels angelegt wird, eine zeitabhängige Spannungsvariation verursacht, die von der Filtereinheit als Antwortsignal detektiert werden kann. Zum Erzeugen des Testsignals kann der Testsignalgenerator eine steuerbare Stromquelle umfassen. Vorzugsweise wird eine Amplitude der zeitabhängigen Stromvariation so gewählt, dass eine Amplitude der zeitabhängigen Spannungsvariation des Antwortsignals im Vergleich zu einer Gleichspannung zur Energieversorgung des elektronischen Geräts klein ist, um die Energieversorgung nicht zu stören.

Das elektronische Gerät kann z.B. ein Mobiltelefon, ein Smartphone, ein Personal Digital Assistant PDA, ein Tablet-PC, ein Laptop-PC oder jedwede andere Art von tragbarem oder nicht-tragbarem elektronischen Gerät sein. Insbesondere kann das elektronische Gerät über ein USB-Kabel aufladbar sein.

Das Netzteil kann z.B. eine elektronische Allzweck-Wechselstrom-Energieversorgung mit einem geeigneten Leistungswandler sein, die beispielsweise mit dem Stromnetz oder einer Stromleitung verbunden ist. Zum Beispiel kann der Leistungswandler angepasst sein, um eine USB-konforme Energiequelle bereitzustellen. Zusätzlich kann das Netzteil ein oder mehrere Buchsen oder Stecker umfassen, um eine elektrische Verbindung mit einem USB-Kabel einzurichten.

Die Impedanzschätzeinheit kann weiterhin eine erste Schalteinheit umfassen, die konfiguriert ist, um, ausgelöst durch das Synchronisationssignal, das Antwortsignal an einen Eingang eines ersten Tiefpassfilters anzulegen. Eine zweite Schalteinheit der Impedanzschätzeinheit kann, ausgelöst durch eine invertierte Version des Synchronisationssignals, das Antwortsignal an einen Eingang eines zweiten Tiefpassfilters anlegen. Sowohl bei der ersten als auch der zweiten Schalteinheit kann es sich um "Gates" bzw. Steuerelektroden handeln, die z.B. durch einen oder mehrere Transistoren implementiert sind.

Alternativ kann anstelle der Verwendung eines invertierten Synchronisationssignals eine 180-Grad-phasenverschobene Version des Synchronisationssignals (z.B. durch Verzögern des Synchronisationssignals) als Auslöser zum Steuern der zweiten Schalteinheit verwendet werden. Die Impedanzschätzeinheit kann ferner eine Differenzbestimmungseinheit umfassen, die mit einem Ausgang des ersten Tiefpassfilters und mit einem Ausgang des zweiten Tiefpassfilters verbunden ist. Die Differenzbestimmungseinheit bestimmt die erste Größe durch Bestimmen einer Differenz eines ersten Signals am Ausgang des ersten Tiefpassfilters und eines zweites Signals am Ausgang des zweiten Tiefpassfilters, z.B. der Differenz in der Ausgangsspannung der Tiefpassfilter.

Die invertierte Version des Synchronisationssignals kann durch einen Inverter bzw. Invertierer erzeugt werden. Das Synchronisationssignal wird dann an einen Eingang des Inverters angelegt, der Ausgang des Inverters wird mit einem Steuereingang der zweiten Schalteinheit verbunden, und der Inverter wird konfiguriert, um das Synchronisationssignal an seinem Eingang in die invertierte Version des Synchronisationssignals zu invertieren. In einer anderen Weise betrachtet, kann ein Eingangssignal der zweiten Schalteinheit in einem niedrigen Zustand sein, wann immer das Synchronisationssignal in einem hohen Zustand ist, und umgekehrt. Folglich ist das Eingangssignal der zweiten Schalteinheit immer in einem entgegengesetzten Zustand verglichen mit dem Eingangssignal der ersten Schalteinheit.

Falls das angelegte Testsignal sinusförmig ist, wird das sich ergebende Antwortsignal ebenfalls überwiegend sinusförmig sein. Jedoch können die Amplitude und/oder die Phase des Antwortsignals verschieden von der Amplitude und/oder Phase des Testsignals sein. Die erste Schalteinheit kann z.B. das Antwortsignal an ihrem Eingang mit dem ersten Tiefpassfilter an ihrem Ausgang verbinden, wann immer das Synchronisationssignal in einem hohen Zustand ist. Daher wird das Schaltverhalten der ersten Schalteinheit mit dem Testsignal synchronisiert, das ursprünglich an der Kabelbaugruppe angelegt wurde. Das Signal am Eingang des ersten Tiefpassfilters kann somit nur die Teile des Antwortsignals während der Zeiten umfassen, die den positiven Halbwellen des Testsignals entsprechen. Am Ausgang des ersten Tiefpassfilters wird eine erste Durchschnittsspannung bereitgestellt, die einen Mittelwert des Antwortsignals während Zeiten repräsentiert, in denen das Testsignal positive Werte aufweist. Im einfachsten Fall kann der erste Tiefpassfilter einen Widerstand und einen Kondensator umfassen. Andere Ausführungsformen für komplexere Tiefpassfilter sind auch möglich.

Andererseits kann die zweite Schalteinheit z.B. das Antwortsignal an ihrem Eingang mit dem zweiten Tiefpassfilter an ihrem Ausgang verbinden, wann immer das Synchronisationssignal in einem niedrigen Zustand ist. Das Signal am Eingang des zweiten Tiefpassfilters kann somit nur die Teile des Antwortsignals während der Zeiten umfassen, die den negativen Halbwellen des Testsignals entsprechen. Am Ausgang des zweiten Tiefpassfilters wird eine zweite Durchschnittsspannung bereitgestellt, die einen Mittelwert des Antwortsignals während Zeiten angibt, in denen das Testsignal negative Werte aufweist. Der zweite Tiefpassfilter kann ebenfalls durch Verwenden eines Widerstands und eines Kondensators implementiert sein.

Die sich ergebende erste Größe kann als ein Mittelwert der Amplitude derjenigen Abschnitte des Antwortsignals angesehen werden, die in Phase mit dem Testsignal sind. Daher ist die erste Größe eine Schätzung für den Realteil der komplexen Impedanz der Kabelbaugruppe. Um den Imaginärteil der komplexen Impedanz zu erhalten, können die gleichen Komponenten und Einheiten der beschriebenen Überwachungsvorrichtung verwendet werden. Die zweite Größe, die den Imaginärteil der Impedanz der Kabelbaugruppe angibt, kann unter Verwendung eines verschobenen Synchronisationssignals bestimmt werden. Hierfür kann entweder der Synchronisationssignalgenerator oder die Impedanzschätzeinheit das verschobene Synchronisationssignal durch Verschieben einer Phase des Synchronisationssignals um 90 Grad generieren. Die erste Schalteinheit wird dann konfiguriert, um, ausgelöst durch das verschobene Synchronisationssignal, das Antwortsignal an den Eingang des ersten Tiefpassfilters anzulegen. Andererseits legt die zweite Schalteinheit, ausgelöst durch eine invertierte Version des verschobenen Synchronisationssignals, das Antwortsignal an den Eingang des zweiten Tiefpassfilters an. Zur gleichen Zeit ist das Testsignal immer noch in Phase, d.h. synchronisiert mit dem ursprünglichen Synchronisationssignal.

Die Differenzbestimmungseinheit bestimmt die zweite Größe durch Bestimmen einer Differenz zwischen einem ersten Signal am Ausgang des ersten Tiefpassfilters und einem zweiten Signal am Ausgang des zweiten Tiefpassfilters. Mit anderen Worten kann die sich ergebende zweite Größe als ein Mittelwert der Amplitude derjenigen Abschnitte des Antwortsignals, die mit einer 90-Grad-phasenverschobenen Version des Testsignals in Phase sind, angesehen werden. Als ein Ergebnis kann die zweite Größe den Imaginärteil der komplexen Impedanz der Kabelbaugruppe darstellen.

Die Filtereinheit der Vorrichtung kann einen Bandpassfilter umfassen, der konfiguriert ist, um das Antwortsignal bei der vorbestimmten Frequenz zu detektieren. Auf diese Weise wird es möglich, das Antwortsignal von Störungen, die aus einer Ladeschaltung des elektronischen Geräts oder der Stromversorgung stammen, zu trennen und jedwede möglichen Gleichspannungskomponenten aus dem Antwortsignal zu beseitigen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn eine geschaltete Ladeschaltung oder Stromversorgung verwendet wird.

Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Filtereinheit einen Hochpassfilter mit einem Eingangskondensator, einem Rückkopplungswiderstand, einem zweiten Widerstand, einem Operationsverstärker und einem Schalter umfassen. Der Eingangskondensator ist zwischen dem Eingang des Hochpassfilters und dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeordnet. Der Rückkopplungswiderstand ist zwischen dem Ausgang des Hochpassfilters und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeordnet. Ein zweiter Widerstand ist zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und einer Spannungsquelle angeordnet, wobei die Spannungsquelle eine Referenzspannung bereitstellt. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist mit dem Ausgang des Hochpassfilters verbunden. Ein Schalter ist konfiguriert, um den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers mit der Spannungsquelle zu verbinden. Insbesondere kann der Schalter konfiguriert sein, um, ausgelöst durch das Synchronisationssignal, den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers mit der Spannungsquelle zu verbinden.

Die beschriebene Anordnung des Hochpassfilters implementiert einen aktiven Hochpassfilter mit einer variablen Zeitkonstante. Bevor eine Messung der ersten Größe und der zweiten Größe beginnt, kann der Schalter, ausgelöst durch eine ansteigende Flanke oder eine abfallende Flanke des Synchronisationssignals, kurz geöffnet und anschließend wieder geschlossen werden. Der Eingangskondensator blockiert die hohe Spannung am Eingang des Hochpassfilters aus dem massebezogenen System.

Der Schalter kann eine n-Typ- und einen p-Typ-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor MOSFET aufweisen, wobei eine "Source" bzw. Quelle des n-Typ-MOSFET mit einem "Drain" des p-Typ-MOSFET verbunden ist, und ein "Drain" des n-Typ-MOSFET mit einer "Source" des p-Typ-MOSFET verbunden ist, und eine invertierte Version des Synchronisationssignals wird entweder an ein "Gate" des p-Typ-MOSFET oder an ein "Gate" des n-Typ-MOSFET angelegt. Für das Erzeugen der invertierten Version des Synchronisationssignals kann wiederum eine Inverterschaltung verwendet werden. Der Schalter, der zwei MOSFETs umfasst, bietet den Vorteil, dass, selbst wenn beide Transistoren ausgeschaltet sind und der Schalter geschlossen ist, der Leckstrom durch die beiden MOSFETs die Spannung am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers auf der Referenzspannung der Spannungsquelle halten wird. Daher kann der beispielhafte Schalter, der zwei MOSFETs umfasst, einen hochohmigen Widerstand ersetzen.

Die Filtereinheit kann ferner einen alternativen Bandpassfilter mit einem Eingangskondensator, einem Operationsverstärker, einem Rückkopplungskondensator und drei Rückkopplungswiderständen umfassen. Der Eingangskondensator ist zwischen dem Eingang des alternativen Bandpassfilters und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeordnet. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist mit einer Spannungsquelle auf einer Referenzspannung verbunden, und der Ausgang des Operationsverstärkers ist mit dem Ausgang des alternativen Bandpassfilters verbunden. Der Rückkopplungskondensator ist zwischen dem Ausgang des alternativen Bandpassfilters und einem Zwischenknoten angeordnet. Ein erster Rückkopplungswiderstand ist zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und dem Zwischenknoten angeordnet, ein zweiter Rückkopplungswiderstand ist zwischen dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und dem Zwischenknoten angeordnet, und ein dritter Rückkopplungswiderstand ist zwischen dem Ausgang des alternativen Bandpassfilters und dem Zwischenknoten angeordnet.

Der vorgeschlagene alternative Bandpassfilter macht es möglich, einen einzigen Rückkopplungswiderstand mit hohem Widerstandswert durch die drei Rückkopplungswiderstände in einer T-förmigen Anordnung zu ersetzen, wobei die drei Rückkopplungswiderstände vergleichsweise niedrige Widerstandswerte aufweisen können.

Die Vorrichtung kann ferner konfiguriert sein, um ein Signal zur Einstellung eines Strom- und/oder Spannungsausgangs des Netzteils auf Basis der ermittelten ersten Größe und/oder zweiten Größe zu erzeugen. Das Signal kann von der Vorrichtung direkt verwendet werden, um den Strom- und/oder Spannungsausgang des Netzteils zu begrenzen. Alternativ kann das erzeugte Signal an das Netzteil weitergegeben werden, das seinerseits seinen Strom- und/oder Spannungsausgang regelt. Durch kontinuierliches Überwachen der Impedanz der Kabelbaugruppe über die Zeit hinweg, wird es möglich, z.B. die Erwärmung des Kabels während eines Ladezyklus des elektronischen Geräts zu bestimmen.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Überwachung eines Vorgangs der Energieversorgung eines elektronischen Geräts durch eine Kabelbaugruppe vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Erzeugens eines Synchronisationssignals bei einer vorbestimmten Frequenz, des Erzeugens eines Testsignals auf Basis des Synchronisationssignals und des Anlegens des Testsignals an einem Ende des Kabels, und des Detektierens eines Antwortsignals an dem einen Ende des Kabels, wobei sich das Antwortsignal aus dem Anlegen des Testsignals an der Kabelbaugruppe ergibt. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt des Bestimmens, basierend auf dem Antwortsignal und dem Synchronisationssignal, einer ersten Größe, die für einen Realteil einer Impedanz der Kabelbaugruppe bezeichnend ist, und einer zweiten Größe, die für einen Imaginärteil der Impedanz der Kabelbaugruppe bezeichnend ist.

Das Verfahren kann weiterhin einen Schritt des Verbindens des Antwortsignals mit einem Eingang eines ersten Tiefpassfilters zu Zeiten, die durch das Synchronisationssignal angegeben werden, und einen Schritt des Isolierens des Eingangs des ersten Tiefpassfilters von dem Antwortsignal zu Zeiten, die durch das Synchronisationssignal angegeben werden, umfassen. Das Antwortsignal wird zu Zeiten, die durch eine invertierte Version des Synchronisationssignals angegeben werden, mit einem Eingang eines zweiten Tiefpassfilters verbunden. Umgekehrt, wird der Eingang des zweiten Tiefpassfilters von dem Antwortsignal zu Zeiten isoliert, die durch eine invertierte Version des Synchronisationssignals angegeben werden. Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Bestimmens der ersten Größe umfassen, indem eine Differenz zwischen einem ersten Signal am Ausgang des ersten Tiefpassfilters und einem zweiten Signal am Ausgang des zweiten Tiefpassfilters bestimmt wird.

Darüber hinaus kann ein verschobenes Synchronisationssignal durch Verschieben einer Phase des Synchronisationssignals um 90 Grad erzeugt werden. In dieser Situation kann das Antwortsignal mit dem Eingang des ersten Tiefpassfilters zu Zeiten verbunden werden, die durch das verschobene Synchronisationssignal angegeben werden, und der Eingang des ersten Tiefpassfilters kann zu Zeiten, die durch das verschobene Synchronisationssignal angegeben werden, von dem Antwortsignal isoliert werden. Das zur Bestimmung eines Imaginärteils der komplexen Impedanz geeignete Verfahren kann ferner das Verbinden des Antwortsignals mit dem Eingang des zweiten Tiefpassfilters zu Zeiten, die durch eine invertierte Version des verschobenen Synchronisationssignals angegeben werden, und das Isolieren des Eingangs des zweiten Tiefpassfilters von dem Antwortsignal zu Zeiten, die durch die invertierte Version des verschobenen Synchronisationssignals angegeben werden, umfassen. Schließlich wird die zweite Größe durch Bestimmen einer Differenz zwischen einem ersten Signal am Ausgang des ersten Tiefpassfilters und einem zweiten Signal am Ausgang des zweiten Tiefpassfilters erhalten.

Es sollte bemerkt werden, dass die Verfahren und Vorrichtungen, einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsformen, wie im vorliegenden Dokument beschrieben, eigenständig oder in Kombination mit den anderen in diesem Dokument offenbarten Verfahren und Vorrichtungen zur Anwendung kommen können. Außerdem sind die im Zusammenhang mit einer Vorrichtung skizzierten Merkmale auch auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Darüber hinaus können alle Aspekte der Verfahren und Vorrichtungen, die im vorliegenden Dokument beschrieben sind, in beliebiger Weise kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.

Im vorliegenden Dokument beziehen sich die Begriffe "koppeln", "gekoppelt", "verbinden" und "angeschlossen" auf Elemente, die in elektrischer Kommunikation miteinander stehen, ungeachtet dessen, ob sie direkt z.B. über Leitungen oder auf andere Weise verbunden sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielartiger Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei

1 schematisch eine Vorrichtung zur Überwachung eines Vorgangs der Energieversorgung eines elektronischen Gerätes veranschaulicht;

2 schematisch verschiedene Signale veranschaulicht, die beteiligt sind, wenn ein Realteil und ein Imaginärteil einer komplexen Impedanz einer Kabelbaugruppe geschätzt werden;

3 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Hochpassfilters ist;

4 eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften Hochpassfilters ist;

5 ein Beispiel-Diagramm zeigt, das eine Ausgangsspannung einer Filtereinheit veranschaulicht;

6 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Bandpassfilters ist;

7 ein Diagramm einer Ausgangsspannung eines Bandpassfilters zeigt;

8 ein Flussdiagramm ist, das schematisch ein Verfahren zur Kabelüberwachung veranschaulicht; und

9 ein Flussdiagramm ist, das schematisch ein anderes Verfahren zur Kabelüberwachung veranschaulicht.

Beschreibung

In den folgenden Absätzen wird auf eine Vorrichtung zur Überwachung eines Ladesystems Bezug genommen werden, das in beispielartiger Weise ein Energieversorgungs-System verkörpert. Wie bereits im Vorstehenden erwähnt wurde, bezieht sich der Ausdruck "Laden eines elektronischen Geräts" auf eine Situation, in der dem elektronischen Gerät elektrische Energie zugeführt wird und irgendeine Art von Energiespeicher im elektronischen Gerät (wie z.B. eine Batterie bzw. ein Akku oder ein Superkondensator) mit der bereitgestellten elektrischen Energie wieder aufgefüllt wird. Andererseits bezieht sich der Begriff "Energieversorgung eines elektronischen Geräts" auf ein elektronisches Gerät, das nicht unbedingt einen Energiespeicher besitzt, oder auf Situationen, in denen das elektronisches Gerät einen Energiespeicher besitzt, aber dieser Speicher nicht notwendigerweise durch die bereitgestellte Energie aufgeladen wird. Die letztere Situation kann auftreten, wenn z.B. der Energiespeicher vollständig geladen ist und die bereitgestellte Energie durch das elektronisches Gerät direkt verbraucht wird. Die Offenbarung ist nicht als auf ein Ladesystem oder auf das Laden eines akkubetriebenen Geräts beschränkt zu verstehen, sondern sollte so verstanden werden, sich allgemein auf ein Energieversorgungs-System und auf die Energieversorgung eines tragbaren Geräts zu beziehen.

Ein High-Level-System-Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Überwachung eines Vorgangs des Aufladens eines elektronischen Geräts ist in der 1 veranschaulicht. Das elektronische Gerät, das in 1 nicht dargestellt ist, wird über ein Kabel 1, das z.B. ein mit dem USB-Standard kompatibles Kabel sein kann, aufgeladen. Insbesondere kann das Kabel 1 an beiden Enden des Kabels USB-kompatible Steckanschlüsse umfassen.

Die Vorrichtung für das Überwachen des Ladevorgangs umfasst: einen Synchronisationssignalgenerator 2, einen Testsignalgenerator 3, eine Filtereinheit 4 und eine Impedanzschätzeinheit 5. Die in 1 gezeigte beispielhafte Vorrichtung umfasst eine Stromquelle 31, die mit dem Testsignalgenerator 3 elektrisch gekoppelt ist und durch diesen gesteuert wird. Die Stromquelle 31 ist ferner mit einem Ende des Kabels 1 verbunden, um das Kabel 1 mit einem oder mehreren periodischen Testsignalen, wie z.B. sinusförmigen Testsignalen, zu stimulieren. Zum Beispiel moduliert die Stromquelle 31 einen Ladestrom für das Aufladen des elektronischen Geräts mit einer sinusförmigen Strommodulation, deren Amplitude im Vergleich zur Amplitude des Ladestroms klein ist. Die Testsignale können bei einer oder mehreren vorbestimmten Frequenzen erzeugt werden. Selbstverständlich kann die Stromquelle 31 auch Teil des Testsignalgenerators 3 sein, anstatt dass sie außerhalb des letzteren vorliegt.

In 1, ist die Filtereinheit 4 mit dem gleichen Ende des Kabels 1 verbunden, wie die Stromquelle 31. Die Filtereinheit 4 ist konfiguriert, um ein Antwortsignal zu empfangen, das sich aus dem Anlegen des Testsignals an die Kabelbaugruppe, einschließlich Kabel 1, ergibt. Neben dem Kabel 1, kann die Kabelbaugruppe Steckanschlüsse an einem oder an beiden Enden des Kabels 1 sowie jedwede Leiterplatten-PCB-Bahnen umfassen. Zusätzlich dazu kann die Kabelbaugruppe weitere leitende Bauteile einschließen, die elektrisch mit dem Kabel 1 gekoppelt sind.

In der 1 ist weder das elektronische Gerät noch ein Netzteil dargestellt. Das elektronische Gerät und das Netzteil können an gegenüberliegenden Enden des Kabels 1 oder am gleichen Ende des Kabels 1 lokalisiert sein. Insbesondere kann das elektronische Gerät an dem Ende des Kabels 1 lokalisiert sein, an welchem die Stromquelle 31 und die Filtereinheit 4 lokalisiert sind, und das Netzteil kann an dem anderen Ende des Kabels 1 lokalisiert sein. Wie in der 1 veranschaulicht, sind beide Enden des Kabels 1 letztlich mit der gleichen absoluten Masse verbunden.

Wie in 1 veranschaulicht, wird der Betrieb des Testsignalgenerators 3, der Filtereinheit 4 und der Impedanzschätzeinheit 5 durch den Synchronisationssignalgenerator 2 synchronisiert. Zu diesem Zweck ist der Synchronisationssignalgenerator mit den letztgenannten Komponenten elektrisch verbunden und überträgt Synchronisationssignale an diese. Die Synchronisationssignale können jedwede Art von Taktsignalen sein, die zum Synchronisieren von analogen und/oder digitalen Schaltungskomponenten geeignet sind.

Die Filtereinheit 4 kann ein Hochpassfilter oder ein Bandpassfilter zum Detektieren des Antwortsignals sein. In jedem Fall sollten DC-Komponenten aus dem Antwortsignal entfernt werden. Als Folge kann das Antwortsignal eine periodische (z.B. sinusförmige oder rechteckwellenförmige) Spannungsvariation sein, die um einen Nullspannungspegel oszilliert (siehe z.B. 2). Abhängig von den Eigenschaften der Kabelbaugruppe können hierbei sowohl die Phase als auch die Amplitude des Antwortsignals im Vergleich zum Testsignal eine Veränderung erfahren. Die Amplitude des Antwortsignals kann durch Widerstandskomponenten der Kabelbaugruppe gedämpft werden, während jedwede induktiven oder kapazitiven Komponenten der Kabelbaugruppe eine Phasenverschiebung des Antwortsignals in Bezug auf das Testsignal verursachen können.

Als nächstes wird das Antwortsignal der Impedanzschätzeinheit 5 zugeführt. Die Impedanzschätzeinheit 5 ist konfiguriert, um, basierend sowohl auf dem Antwortsignal als auch dem Synchronisationssignal, eine erste Größe, die für einen Realteil einer Impedanz der Kabelbaugruppe bezeichnend ist, und eine zweite Größe, die für einen Imaginärteil der Impedanz der Kabelbaugruppe bezeichnend ist, zu bestimmen. Ein erster Zweig der Impedanzschätzeinheit 5 umfasst eine erste Schalteinheit 51 und einen ersten Tiefpassfilter 53, der einen ersten Widerstand 61 und einen ersten Kondensator 62 umfassen kann. In einem ersten Schritt wird das Antwortsignal in die erste Schalteinheit 51 eingespeist, welche durch das Synchronisationssignal gesteuert wird, das vom Synchronisationssignalgenerator 2 erzeugt wird.

In der folgenden Beschreibung wird eine Rechteckwelle, oszillierend zwischen einem hohen Zustand und einem niedrigen Zustand mit einem Tastverhältnis von 50%, als eine exemplarische Ausführungsform eines Synchronisationssignals erörtert werden. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf dieses spezifische Taktsignal beschränkt ist, und dass andere Synchronisationssignale mit unterschiedlichen Zuständen und/oder Wellenformen, stattdessen verwendet werden können.

Die Diagramme (a) und (b) der 2 veranschaulichen beispielhafte, vereinfachte Signalmuster im ersten Zweig der Impedanzschätzeinheit 5. Wie sich in Diagramm (a) ersehen lässt, ist das durch eine gestrichelte Linie angedeutete Antwortsignal 71 in Phase mit einem Synchronisationssignal 72, das durch eine durchgezogene Linie angedeutet ist. Das dargestellte beispielhafte Antwortsignal 71 kann an einem Ende eines Kabels nachgewiesen werden, wenn die Kabelbaugruppe ausschließlich resistive Komponenten umfasst und keine Phasenverschiebung wegen induktiven oder kapazitiven Komponenten aufgetreten ist. Das Diagramm (b) zeigt das Ausgangssignal 73 der ersten Schalteinheit 51 als eine gestrichelte Linie. Da die beispielhafte erste Schalteinheit 51 während der Zeiten geschlossen wird, zu denen das Synchronisationssignal 72 in einem hohen Zustand ist, werden die negativen Halbwellen des Antwortsignals 71 im Ausgangssignal 73 der ersten Schalteinheit 51 abgeschnitten bzw. ausgeschlossen. Nach Durchlauf durch den ersten Tiefpassfilter 53, stellt das Ausgangssignal 74, das im Diagramm (b) durch eine durchgezogene Linie angedeutet wird, einen positiven Mittelwert dar, der über die Zeit hinweg mehr oder weniger konstant ist.

Die Diagramme (c) und (d) in der 2 veranschaulichen beispielhafte, vereinfachte Signalmuster in einem zweiten Zweig der Impedanzschätzeinheit 5. Der zweite Zweig der Impedanzschätzeinheit 5 umfasst eine zweite Schalteinheit 52 und einen zweiten Tiefpassfilter 54, der einen zweiten Widerstand 63 und einen zweiten Kondensator 64 umfassen kann. Diesmal wird jedoch ein invertiertes Synchronisationssignal 75 des Synchronisationssignals 72 durch einen Inverter 56 erzeugt und an einen Steuereingang der zweiten Schalteinheit 52 angelegt. In 2 (c) ist das invertierte Synchronisationssignal 75 durch eine durchgezogene Linie angedeutet. Erneut wird angenommen, dass das Antwortsignal 71 keinerlei Phasenverschiebung erfahren hat, und beide in Diagramm (c) dargestellten Signale in Phase sind. Wie in Diagramm (d) dargestellt ist, entfernt die zweite Schalteinheit 52 die negativen Halbwellen des sinusförmigen Antwortsignals 71 und erzeugt das Ausgangssignal 76. Das Ausgangssignal 76 wird dann gemittelt, und ein nahezu konstanter negativer Mittelwert 77 kann am Ausgang des zweiten Tiefpassfilters 54 gemessen werden.

In einem letzten Schritt bestimmt eine Differenzbestimmungseinheit 55 der Impedanzschätzeinheit 5 die erste Größe, die für den Realteil der komplexen Impedanz bezeichnend ist, indem eine Differenz zwischen den Ausgangssignalen 74 und 77 der beiden Zweige bestimmt wird. Obwohl die 1 die Differenzbestimmungseinheit 55 mit einem "Minus"-Symbol auf dem ersten Zweig und einem "Plus"-Symbol auf dem zweiten Zweig zeigt, ist es für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass beide Symbole vertauscht werden können. In jedem Fall berechnet die Differenzbestimmungseinheit 55 eine Differenz zwischen den zwei Mittelwerten, die durch die zwei Zweige bereitgestellt werden. Die ermittelte Differenz dient als Schätzwert für den Realteil der komplexen Impedanz.

Die zweite Größe, die einen Imaginärteil der komplexen Impedanz angibt bzw. dafür bezeichnend ist, kann durch die Impedanzschätzeinheit 5 bestimmt werden, indem ein verschobenes Synchronisationssignal 78 verwendet wird. Das letztgenannte Signal ist durch eine durchgezogene Linie im Diagramm (e) von 2 dargestellt. Das verschobene Synchronisationssignal kann vom Synchronisationssignalgenerator 2 durch Verschieben einer Phase des Synchronisationssignals um +90 Grad oder –90 Grad erzeugt werden. Alternativ kann die Impedanzschätzeinheit 5 oder eine andere Einheit der Vorrichtung das verschobene Synchronisationssignal erzeugen. Wie in der 1 gezeigt, wird das verschobene Synchronisationssignal direkt an den ersten Zweig und über den Inverter 56 an den zweiten Zweig der Impedanzschätzeinheit 5 angelegt.

In dem Diagramm (e) von 2 wird weiterhin angenommen, dass das Antwortsignal 71 in Phase mit dem Testsignal ist. Als Ergebnis ist die durch die Differenzbestimmungseinheit 55 bestimmte zweite Größe gleich Null, da beide Ausgangssignale der zwei Zweige gleich Null sind. Somit ist für das gewählte Beispiel der Imaginärteil der Impedanz gleich Null aufgrund fehlender kapazitiver oder induktiver Komponenten innerhalb der Kabelbaugruppe.

Die in 2 veranschaulichten beispielhaften Signale werden als hilfreich zum Verstehen der vorliegenden Erfindung erachtet. Offensichtlich können, wenn eine Phasenverschiebung zwischen dem Testsignal und dem Antwortsignal auftritt, die Ausgangssignale 74, 77 der zwei Zweige variieren. Für den speziellen Fall eines Antwortsignals, das um 90 Grad in Bezug auf das Testsignal verschoben ist, kann das Ausgangssignal 74 des ersten Zweigs gleich Null sein und das Ausgangssignal 77 des zweiten Zweigs kann einen von Null verschiedenen Mittelwert aufweisen, der den Imaginärteil der komplexen Impedanz repräsentiert.

Zum Erfassen des Antwortsignals kann die Filtereinheit 4 einen analogen oder digitalen Bandpassfilter umfassen. Da die Messung der komplexen Impedanz durchgeführt werden soll, während das elektronische Gerät geladen wird, ist eine Bandbreite, aus der die vorbestimmte Frequenz des Testsignals ausgewählt werden muss, beschränkt. Insbesondere kann eine Regelschleife zum Regulieren der Ausgangsspannung des Netzteils (wie z.B. eines Steckdosen-Ladegeräts WPC) aktiv sein, und es kann nicht möglich sein, eine DC-Messung anzuwenden. Darüber hinaus kann Rauschen von Lastschwankungen der Ladeschaltung des elektronischen Geräts oder von einem Schaltwandler ausgehen.

3 und 4 veranschaulichen schematische Schaltungsimplementierungen eines beispielhaften Hochpassfilters 8, der eigenständig oder in Kombination mit einem Tiefpassfilter verwendet werden kann, um eine Filtereinheit 4 zu bilden. An einem Eingang des Hochpassfilters 8 wird das Antwortsignal angelegt. Ein Eingangskondensator 81 ist zwischen dem Eingang des Hochpassfilters 8 und einem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 82 angeordnet. Gegebenenfalls kann der Hochpassfilter 8 einen zusätzlichen Eingangswiderstand umfassen, der in 3 als R3 bezeichnet ist. Ein Rückkopplungswiderstand 83 ist zwischen dem Ausgang des Hochpassfilters 8 und einem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 82 angeordnet. Ein zweiter Widerstand 84 ist zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 82 und einer Spannungsquelle 85 angeordnet, die eine Referenzspannung bereitstellt. Ein Schalter 86 wird durch das Synchronisationssignal gesteuert, um den Anschluss oder die Trennung des nicht-invertierenden Eingangs des Operationsverstärkers 82 an die bzw. von der Spannungsquelle 85 vorzunehmen. In 3 und 4 ist ein zusätzlicher parasitärer Kondensator 42 am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 82 dargestellt.

Der vorgeschlagene Hochpassfilter 8 repräsentiert einen aktiven Hochpassfilter mit einer variablen Zeitkonstante. Über den Eingangskondensator 81 wird die Hochspannung aus dem Masse-bezogenen System blockiert. Der Schalter 82 dient als Übertragungs-Gate zum Beseitigen von DC-Komponenten aus dem Antwortsignal. Vor Beginn einer Messung an der Impedanzschätzeinheit 5, wird der Schalter 86, ausgelöst durch das Synchronisationssignal, kurz eingeschaltet und dann wieder ausgeschaltet.

4 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des Schalters 86, der einen n-Typ- und einen p-Typ-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor MOSFET 87, 88 umfasst. In der dargestellten Beispielschaltung ist die Source des n-Typ-MOSFET 88 mit dem Drain des p-Typ-MOSFET 87 und dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 82 verbunden. Der Drain des n-Typ-MOSFET 88 ist mit der Source des p-Typ-MOSFET 87 und der Spannungsquelle 85 verbunden. Im dargestellten Beispiel wird eine invertierte Version des Synchronisationssignals an das Gate des n-Typ-MOSFET 88 angelegt. Zu diesem Zweck ist eine Inverter- bzw. Invertiereinheit 89 am Eingang des n-Typ-MOSFET 88 angeordnet. Eine zusätzliche, optionale Invertereinheit 899 ist ebenfalls in 4 abgebildet. Ob die invertierte Version des Synchronisationssignals an den p-Typ-MOSFET 87 oder den n-Typ-MOSFET 88 angelegt wird, hängt im Allgemeinen von der Form des Synchronisationssignals ab.

Vor Beginn einer Messung werden beide MOSFETs 87, 88 kurz eingeschaltet und dann wieder abgeschaltet. Die 5 zeigt die Ausgangsspannung 43 des Operationsverstärkers 82 über die Zeit, wenn ein Rechteckwellentestsignal verwendet wird. Wie bereits erwähnt, kann das Testsignal eine beliebige Form (z.B. eine Sinusform) haben, so lange es sich bei dem Testsignal um ein periodisches Signal handelt, das mit dem Synchronisationssignal bei der vorbestimmten Frequenz synchronisiert ist. Kurz nach dem Zeitpunkt 80 ms findet ein Schalten des Schalters 86 statt, das zu einer Ladungsinjektion führt, die einen Versatz (bis zu 7 mV) des Antwortsignals erzeugt. Jedoch entfernt der Leckstrom der MOSFETs den Versatz und stabilisiert die Oszillation zwischen ungefähr +4mV und –4mV. 6 veranschaulicht einen beispielhaften Bandpassfilter 9, welcher als Filtereinheit 4 verwendet werden kann. Ein Eingangskondensator 91 ist zwischen dem Eingang des Bandpassfilters 9 und dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 92 angeordnet. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers 92 ist mit einer Spannungsquelle 93 auf einer Referenzspannung verbunden, und der Ausgang des Operationsverstärkers 92 ist mit dem Ausgang des Bandpassfilters 9 verbunden. Ein Rückkopplungskondensator 94 ist zwischen dem Ausgang des Bandpassfilters 9 und einem Zwischenknoten 95 angeordnet. Ein erster Rückkopplungswiderstand 96 ist zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 92 und dem Zwischenknoten 95 angeordnet, ein zweiter Rückkopplungswiderstand 97 ist zwischen dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 92 und dem Zwischenknoten 95 angeordnet, und ein dritter Rückkopplungswiderstand 98 ist zwischen dem Ausgang des Bandpassfilters 9 und dem Zwischenknoten 95 angeordnet. Darüber hinaus ist ein optionaler Eingangswiderstand R4 99 in 6 dargestellt.

Wie bereits erwähnt, wird die Verwendung eines Rückkopplungswiderstands mit hohem Widerstand durch das T-Filter-Design vermieden, das die drei Rückkopplungswiderstände 96, 97, 98 mit relativ geringen Widerstandswerten umfasst. Die Verstärkungseinstellung des Bandpassfilters wird durch Anpassen des Verhältnisses der Kapazitäten des Eingangskondensators 91 und des Rückkopplungskondensators 94 erreicht. Die 7 stellt ein Diagramm dar, das eine Ausgangsspannung 44 des Bandpassfilters 9 für Frequenzen von 10 Hz bis 1 MHz zeigt.

8 zeigt ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren zum Bestimmen einer ersten Größe darstellt, die für einen Realteil einer Impedanz einer Kabelbaugruppe bezeichnend ist.

Bei Schritt S101 wird ein Synchronisationssignal bei einer vorbestimmten Frequenz erzeugt. Bei Schritt S102 wird ein Testsignal basierend auf dem Synchronisationssignal erzeugt und an einem Ende des Kabels angelegt. Bei Schritt S103 wird ein Antwortsignal an einem Ende des Kabels detektiert, wobei das Antwortsignal sich aus dem Anlegen des Testsignals an der Kabelbaugruppe ergibt. Bei Schritt S104 wird das Antwortsignal an einen Eingang eines ersten Tiefpassfilters zu Zeiten angelegt, die durch das Synchronisationssignal angegeben werden, und der Eingang des ersten Tiefpassfilters wird von dem Antwortsignal zu Zeiten isoliert, die durch das Synchronisationssignal angegeben werden. Bei Schritt S105 wird das Antwortsignal an einen Eingang eines zweiten Tiefpassfilters zu Zeiten angelegt, die durch eine invertierte Version des Synchronisationssignals angegeben werden, und der Eingang des zweiten Tiefpassfilters wird von dem Antwortsignal zu Zeiten isoliert, die durch die invertierte Version des Synchronisationssignals angegeben werden. Bei Schritt S106 wird die erste Größe durch Bestimmen einer Differenz zwischen einem ersten Signal am Ausgang des ersten Tiefpassfilters und einem zweiten Signal am Ausgang des zweiten Tiefpassfilters bestimmt.

Schließlich zeigt 9 ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren zur Bestimmung einer zweiten Größe, die einen Imaginärteil einer Impedanz einer Kabelbaugruppe angibt, veranschaulicht. Bei Schritt S201 wird ein Synchronisationssignal bei einer vorbestimmten Frequenz erzeugt. Bei Schritt S202 wird ein Testsignal auf Basis des Synchronisationssignals erzeugt und an einem Ende des Kabels angelegt. Bei Schritt S203 wird ein Antwortsignal an dem einen Ende des Kabels detektiert, wobei sich das Antwortsignal aus dem Anlegen des Testsignals an der Kabelbaugruppe ergibt. Bei Schritt S204 wird das Antwortsignal an einen Eingang eines ersten Tiefpassfilters zu Zeiten angelegt, die durch das verschobene Synchronisationssignal angegeben werden, und der Eingang des ersten Tiefpassfilters wird von dem Antwortsignal zu Zeiten isoliert, die durch das verschobene Synchronisationssignal angegeben werden. Bei Schritt S205 wird das Antwortsignal an einen Eingang eines zweiten Tiefpassfilters zu Zeiten angelegt, die durch eine invertierte Version des verschobenen Synchronisationssignals angegeben werden, und der Eingang des zweiten Tiefpassfilters wird von dem Antwortsignal zu Zeiten isoliert, die durch die invertierte Version des verschobenen Synchronisationssignals angegeben werden. Bei Schritt S206 wird die zweite Größe durch Bestimmen einer Differenz zwischen einem ersten Signal am Ausgang des ersten Tiefpassfilters und einem zweiten Signal am Ausgang des zweiten Tiefpassfilters bestimmt.

Es sollte beachtet werden, dass die oben beschriebenen Vorrichtungsmerkmale jeweiligen Verfahrensmerkmalen entsprechen können, die jedoch aus Gründen der Kürze nicht explizit beschrieben sein mögen. Es wird in Betracht gezogen, dass sich die Offenbarung des vorliegenden Dokuments auch auf solche Verfahrensmerkmale erstreckt. Insbesondere versteht es sich, dass die vorliegende Offenbarung sich auf Verfahren zum Betreiben der oben beschriebenen Schaltungen bezieht.

Es sollte ferner angemerkt werden, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Vorrichtung veranschaulichen. Der Fachmann auf dem Gebiet wird in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, wenn auch hierin nicht explizit beschrieben oder dargestellt, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und innerhalb ihres Wesens und Schutzumfangs inbegriffen sind. Darüber hinaus sind alle im vorliegenden Dokument dargelegten Beispiele und Ausführungsformen in erster Linie dazu bestimmt, ausdrücklich nur Erläuterungszwecken zur Unterstützung des Lesers beim Verstehen der Prinzipien des vorgeschlagenen Verfahrens zu dienen. Ferner sollen alle Feststellungen hierin, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung aufführen, sowie spezifische Beispiele davon, beabsichtigtermaßen Äquivalente davon einschließen.