用于电缆屏蔽故障检测和保护的系统和方法与流程

用于电缆屏蔽故障检测和保护的系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本发明要求于2020年4月29日提交的美国临时专利申请63/017,630的所有共同主题的优先权权益。该申请的内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本披露总体上涉及用于电缆屏蔽故障检测的系统和方法。


背景技术：

4.便携式设备电缆(例如，通用串行总线(usb)a型、c型、微型usb和供电电子标记电缆(emc))在各种应用中被广泛使用。它们可以用于设备充电、数据通信等。通常，便携式设备电缆可以包括电源线、接地线、一对或多对数据线、以及屏蔽件。在操作期间，便携式设备电缆的一端可以连接到电源或电子设备，例如，汽车充电端口、台式机、笔记本计算机。便携式设备电缆的另一端可以连接到便携式电子设备。
5.在某些情况中，便携式设备电缆的屏蔽件可能意外短接至电压。例如，在汽车应用中，当便携式设备电缆的一个连接器连接到车辆的usb端口，而便携式设备电缆的另一个连接器意外落入12v点烟器插座中时，就可能发生usb接地短接到电池(short
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battery)。连接器的屏蔽件可能接触12v中心端子。结果，可能有损坏性的电流量从点烟器接线流经便携式设备电缆。可以在usb端口侧使用屏蔽接地开关将端口地与屏蔽件断开，以保护usb端口、电缆和点烟器。
6.已经使用阈值电压检测器经由电流感测放大器(csa)来感测通过接地开关的电流。可以使用阈值电压检测器的输出来控制屏蔽接地开关。然而，这种实施方式存在局限性。首先，在负载瞬变期间，屏蔽接地开关可能会被错误地关闭，因为可能无法在负载电流与接地短路电流之间区分出流经屏蔽接地开关的电流的来源。此外，对于使用场效应晶体管(fet)的屏蔽接地开关而言，可能需要高漏源电压(vds)来处理在fet快速截止时出现的高压环。因此，还需要在屏蔽引脚上提供高压保护。
7.因此，将期望具有用于电缆屏蔽故障检测的系统和方法，以实现改善的性能和更好的保护。


技术实现要素：

8.描述了用于屏蔽故障检测和保护的系统和方法实施例，这些系统和方法避免了在意外事件期间高短路电流通过屏蔽件从电源流到地。可以使用阈值电压检测器和斜率检测器来感测连接在屏蔽件与地之间的接地开关上的电压。还说明了用于区分由屏蔽故障引起的接地开关电流与正常操作的方法。在某些情况中，在连接真实强接地之前，首先建立弱接地以感测或识别电缆上的有效附接。所披露的实施例可以单独地或组合地以改善的性能有效地检测屏蔽故障，并且还可以通过使用具有更低电流容量的更小尺寸的屏蔽接地开关来帮助降低系统成本。
9.在一个或多个实施例中，电子设备的屏蔽引脚经由包括屏蔽接地开关的接地路径被接地。当便携式设备电缆的屏蔽件短接到电压源时，流经接地路径的电流在屏蔽引脚处产生电压。当感测到的电压超出阈值时，电压比较器会被触发而向故障控制模块报告故障状况，该故障控制模块然后输出信号以经由驱动器使屏蔽接地开关关闭。在一个或多个实施例中，一旦故障状况被消除或在预定的时间间隔之后，再次打开屏蔽接地开关。
10.在一个或多个实施例中，使用阈值检测器和斜率检测器两者以实现快速检测。在屏蔽阈值检测触发屏蔽接地开关关闭时，电缆中的电流可能高到足以对部件造成一些损坏。减少损坏的一种方法是在阈值检测器处于较低阈值之前就检测到故障。然而，使用较低阈值对阈值检测器是具有挑战性的，因为这样的较低阈值可能在负载操作瞬态包络范围内。在一个或多个实施例中，为了以较低阈值实现较早地检测，实施斜率检测器以将屏蔽件上的电压变化的速率与参考斜率进行比较。在发生故障(例如，短接到电池)的情况下，当感测到的屏蔽引脚处的电压甚至小于预定阈值时，斜率检测就可以检测到故障。当电压变化速率快于参考斜率时，斜率检测器触发。在正常应用中，负载电流瞬变速率通常小于故障电流瞬变速率，并且因此，预定的固定的参考斜率就足够。
11.在某些情况中，诸如使用非c型连接器等的热插入事件中，当dc
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dc转换器的输出电压可能为5v的固定电压时，非故障屏蔽电流传输可能会高到足以触发错误的故障报告。在一个或多个实施例中，为了避免斜率检测器响应于这样的非故障屏蔽电流传输，使用电流感测电路来检测来自dc
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dc转换器的输出电容器的电流，以区分屏蔽接地开关电流的来源。如果未检测到dc
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dc转换器涌入电流，则屏蔽引脚处电压的上升是由于故障事件导致的。
12.在典型的c型usb连接中，可以通过设备(宿或便携式设备)的内部电阻(rd)引起的cc引脚上的电压降来确定设备连接在usb c型电缆的一端。在连接检测期间，需要接地以允许电流流动。在系统启动后等待发生附接时，屏蔽接地开关应该保持打开。然而，通过屏蔽接地开关的强电缆接地可能易于发生屏蔽件短接到电池事件。在一个或多个实施例中，披露了一种建立弱接地路径的方法，该方法在连接到真实强接地路径之前建立弱接地路径，以感测电缆上的有效附接。该方法通过避免在屏蔽短路故障事件中高电流流经强接地路径来提供保护。
13.本披露的进一步适用领域将根据详细说明、权利要求以及附图而变得明显。详细说明和具体示例旨在仅用于说明的目的并且并不旨在限制本披露的范围。
附图说明
14.将参照附图中展示的示例性实施例。这些附图旨在为说明性的，而并非限制性的。尽管总体上在这些实施例的上下文中描述了本披露，但通过这样做不旨在将本披露的范围限制成所描绘或所描述的实施例的具体特征。
15.图1描绘了用于屏蔽故障保护的具有接地开关的现有技术电路。
16.图2描绘了根据各种实施例的用于屏蔽故障检测和保护的具有各种部件的电路。
17.图3描绘了根据各种实施例的用于屏蔽故障检测和保护的操作过程。
18.图4描绘了根据各种实施例的在建立强接地路径之前建立弱接地路径的用于屏蔽故障保护的操作过程。
19.本领域技术人员将认识到可以根据说明书来实践各种实施方式和实施例。所有这些实施方式和实施例都旨在被包括在本披露的范围内。
具体实施方式
20.在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本发明的理解。然而将明显的是，本领域技术人员可以在不具有这些细节的情况下实践本发明。此外，本领域技术人员将认识到，以下所描述的实施例可以在有形计算机可读介质上以诸如过程、装置、系统、设备、或方法等各种方式实施。
21.在图中示出的部件或模块展示了示例性实施例并且意在避免模糊本发明。还应当理解的是，贯穿本讨论，部件可以被描述为可以包括子单元的单独的功能单元，但是本领域技术人员将认识到的是，各种部件或其多个部分可以被分成单独的部件或者可以被集成在一起，包括集成在单个系统或部件中。应当注意的是，本文所讨论的功能或操作可以被实施为部件。部件可以以软件、硬件、或其组合来实施。
22.此外，附图内的部件或系统之间的连接不旨在局限于直接连接。相反，这些部件之间的数据可以通过中间部件进行修改、重新格式化、或以其他方式改变。而且，可以使用附加的连接或更少的连接。还应当注意的是，术语“耦合”、“连接”或“通信地耦合”应当被理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备的间接连接、以及无线连接。
23.在本说明书中，对“一个实施例”、“优选实施例”、“实施例”、或“多个实施例”的提及意味着结合实施例所描述的具体特征、结构、特性或功能包括在本披露的至少一个实施例中并且可以在多于一个实施例中。而且，在本说明书的不同地方出现的上述短语不一定都是指同一个实施例或多个实施例。
24.在本说明书中的不同地方使用某些术语是用于说明的并且不应当被解释为限制性的。服务、功能、或资源不限于单个服务、功能、或资源；对这些术语的使用可以指可以是分散的或聚集的一组相关服务、功能、或资源。术语“包括(include)”、“包括(including)”、包括(comprise)、和“包括(comprising)”应被理解为是开放性术语并且其后的任何列出项是示例，并不旨在限于所列出的项。
25.此外，本领域的技术人员应当认识到的是：(1)可以可选地执行某些步骤；(2)步骤可以不限于本文阐述的特定顺序；(3)可以按不同的顺序执行某些步骤；并且(4)可以同时完成某些步骤。更具体地，出于本披露的目的，“连接接地路径”必须被理解为包括且功能上等效于“保持连接的接地路径”；并且类似地，“断开接地路径”必须被理解为包括且功能上等效于“保持断开的接地路径”。即，描述连接(connection)、连接(connecting)、或连接(connections)的说明或权利要求应被解释为覆盖预先存在的连接。同样，描述断开(disconnection)、断开(disconnecting)、或断开(disconnects)的说明或权利要求应被解释为覆盖预先存在的断开。
26.图1描绘了用于屏蔽故障保护的具有接地开关的现有技术电路。便携式设备130经由电缆120耦合到充电器或dc
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dc转换器110，该电缆可以是至少包括电源线121、接地线122的usb电缆。在某些情况中，电缆的屏蔽件可能意外短接到电压。例如，在汽车应用中，当便携式设备电缆的一个连接器连接到车辆的usb端口，而便携式设备电缆的另一个连接器意外落入12v点烟器插座140中时，就可能发生usb接地短接到电池。连接器的屏蔽件可能接触
12v中心端子。结果，可能有损坏性的电流量从点烟器接线流经便携式设备电缆。充电器(usb端口)内包含屏蔽接地开关118以使端口接地与屏蔽件断开，从而保护usb端口、电缆和点烟器。出于电压控制目的，屏蔽接地开关118可以与上拉电阻器结合使用。已使用电流感测放大器(csa)114经由电流感测电阻器rsns 113来感测通过接地开关的电流。将csa 114的输出馈送到电流限制电路116中以与预定阈值进行比较。使用比较结果来控制屏蔽接地开关118。
27.这样的实施方式存在局限性。首先，在负载瞬变期间，屏蔽接地开关可能会被错误地关闭，因为屏蔽接地开关可能无法在接地短路电流与在某些正常瞬变事件中可能很高的负载电流之间进行区分。此外，对于使用场效应晶体管(fet)的屏蔽接地开关而言，可能需要高漏源电压(vds)来处理在fet快速截止时出现的高压环。因此，还需要在屏蔽引脚上提供高压保护。此外，为了避免参考接地的数据线上的通信损坏，必须使用具有低导通电阻rdson的fet来限制接地上的dc电压改变。因此，需要具有大电流容量的fet，这不可避免地增加了这样的屏蔽接地检测电路的成本。
28.图2描绘了根据各种实施例的用于屏蔽故障检测和保护的具有各种部件的电路。如图2所示出的，第一设备210经由包括多条线的电缆230耦合至第二设备250。第一设备210可以是汽车内的用于充电和/或数据通信的usb端口。第二设备250可以是便携式设备，诸如智能手机、平板计算机等。电缆230可以是a型、b型、微型b或c型usb电缆或闪电电缆(lightning cable)等。电缆230可至少包括电源线232和屏蔽线234，它们将第一设备处的电缆连接接口221的电源引脚(v出)和屏蔽引脚与第二设备处的电缆连接接口221的对应引脚进行连接。在一个或多个实施例中，电缆连接接口221可以是a型usb端口、b型usb端口、c型usb端口、迷你usb端口、微型usb端口、闪电连接器、或具有屏蔽连接的其他型号的多引脚端口。尽管电缆230的线232、234和236被表示为包含电感器(l电缆)，但是本领域技术人员应当理解，电感可以很小，基本上接近于零或实际上为零。这样的变型应仍落在本披露的范围内。
29.在一个或多个实施例中，第一设备210包括耦合到屏蔽(shld)引脚(或连接器)的第一屏蔽接地开关211，以可切换地建立屏蔽引脚的第一接地路径。第一接地路径也被称为强接地，因为第一接地路径的接地电阻是第一屏蔽接地开关211的导通电阻，其非常小。第一设备210可以进一步包括耦合到屏蔽(shld)引脚的阈值电压检测器216。阈值电压检测器216感测屏蔽引脚的电压，以与参考电压(在图2中示出为vref1)进行比较，并且向逻辑控制模块224输出电压比较信号217。在一个或多个实施例中，阈值电压检测器216是可以具有滞后的电压比较器。当在屏蔽件短接至电源240的故障事件中屏蔽引脚的电压高于参考电压时，逻辑控制模块224接收来自阈值电压检测器216的电压比较信号，并输出信号以经由第一开关驱动器220关闭第一屏蔽接地开关211，从而使屏蔽引脚与地解耦。在一个或多个实施例中，第一设备210可以作为充电端口操作，并且包括耦合到电源引脚的dc转换器214，以通过电缆230向第二设备250提供电压。在本文中，逻辑控制模块224将被理解为至少具有用于提供计算和控制的晶体管逻辑门的物理结构部件。此外，逻辑控制模块224包括通常在零到五伏之间操作的结构输入和输出。设想的是，逻辑控制模块224可以是基于ttl或cmos的架构，但是还可以包括其他逻辑系列，例如包括rtl、dtl和ecl。
30.在一个或多个实施例中，第一设备210还可以包括耦合至屏蔽(shld)引脚的斜率
检测器218，用于检测屏蔽引脚上的电压变化的速率。斜率检测器218将检测到的速率与参考斜率(在图2中示出为vref2)进行比较，并将斜率比较信号219输出至逻辑控制模块224。屏蔽引脚上的电压变化的速率也是通过屏蔽接地开关的电流的转换速率的指示器，因为当屏蔽接地开关打开时，屏蔽引脚处的电压基本上与通过屏蔽接地开关的电流线性相关，斜率为开关的导通电阻。在一个或多个实施例中，斜率检测器218包含滞后以进行斜率比较。当在屏蔽件短接到电源240的故障事件中检测到的速率高于参考斜率时，逻辑控制模块224接收来自斜率检测器218的斜率比较信号，并输出信号以经由第一开关驱动器220关闭第一屏蔽接地开关211，从而将屏蔽引脚与地解耦。与阈值电压检测相比，斜率检测可以更快地对屏蔽故障事件提供反应，因为在阈值检测触发屏蔽接地开关关闭的时候，电缆中的电流可能高到足以对部件造成一些损坏。使用较低阈值对阈值检测器可能是具有挑战性的，因为这样的较低阈值可能在负载操作瞬态包络范围内。在发生故障(例如，短接到电池)的情况下，当感测到的屏蔽引脚处的电压甚至小于预定阈值时，斜率检测就可以检测到故障。当电压变化的速率大于参考斜率时，斜率检测器触发。在正常应用中，负载电流瞬变速率通常小于故障电流瞬变速率，并且因此，固定的参考斜率就足够。在本文中，斜率检测器218将被理解为包括诸如开关元件、放大器、微分器、电阻器或电容器等物理结构的物理结构部件。
31.在一个或多个实施例中，阈值电压检测器216和斜率检测器218可以单独或结合使用来进行屏蔽故障检测。相应地，逻辑控制模块224可以由阈值电压检测器216和斜率检测器218单独触发(例如，如同或门)或共同触发(例如，如同与门)。
32.在某些情况中，诸如使用非c型连接器的热插入事件等中，当第一设备210内的dc
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dc转换器214的输出电压为5v的固定电压时，非故障屏蔽电流传输可能会高到足以触发错误的故障报告。在一个或多个实施例中，为了避免斜率检测器218响应于这样的非故障屏蔽电流瞬变，使用电流感测电路215经由耦合在dc转换器和电源引脚之间的感测电阻器(rs)来检测来自dc
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dc转换器并通过电源引脚的电流，以进行区别。即，电流感测电路检测是否存在正流经电缆连接接口的电源引脚的电流。逻辑控制模块224耦合以接收来自电流感测电路215的输出，从而帮助进行屏蔽故障检测。如果未检测到dc
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dc转换器涌入电流，或者涌入电流的变化速率小于检测到的通过屏蔽接地开关的电流的转换速率，则屏蔽引脚处电压的上升是由于故障事件导致的。将输出电流感测与斜率检测结合在一起可以有效防止错误的故障报告，并因此提高故障检测的可靠性。在本文中，电流感测电路215将被理解为至少具有结构输入连接和结构输出连接的物理结构部件。然而，设想了许多形式的电流感测电路，包括霍尔效应线性传感器、电隔离传感器、或基于gmr的传感器。还设想了其他形式，包括磁通门传感器、分流电阻器、以及甚至基于光纤干涉仪的传感器。
33.在一个或多个实施例中，第一设备210进一步包括耦合至第一屏蔽接地开关211的钳位器260，用于限制屏蔽引脚上的峰值电压。该钳位器可以包括连接在第一屏蔽接地开关211的栅极与漏极之间的第一齐纳二极管(d1)和连接在栅极与地之间的第二齐纳二极管(d2)。在一个或多个实施例中，并联电阻器(r1)可以并联耦合至d2。在第一屏蔽接地开关211打开时，钳位器帮助限制漏极电压。一旦漏极电压达到齐纳二极管电压限制时，钳位器自动关闭第一屏蔽接地开关211以耗散电缆230中剩余的能量，并因此保护开关211和第一设备210。
34.在一个或多个实施例中，电子设备的屏蔽引脚可以经由包括第二屏蔽接地开关
212和串联电阻器213的第二接地路径接地。逻辑控制模块224经由第二开关驱动器或逻辑电路222耦合至第二屏蔽接地开关212，以进行开关控制。在一个或多个实施例中，逻辑控制模块224可以选择性地打开第一屏蔽接地开关211或第二屏蔽接地开关212，以在第一接地路径和第二接地路径之间选择期望的接地路径。在一个或多个实施例中，逻辑控制模块224可以打开第一屏蔽接地开关211和第二屏蔽接地开关212两者，以同时启用这两条接地路径。逻辑控制模块224利用比较器227基于确定设备已连接而启用通过第一屏蔽接地开关211的第一接地路径，并且逻辑控制模块224基于确定该设备已连接而禁用通过第二屏蔽接地开关212的第二接地路径。在一个或多个实施例中，第一屏蔽接地开关211和第二屏蔽接地开关212可以被一起打开、选择性地打开、或一起关闭。在一个或多个实施例中，第二接地路径可以包括第二屏蔽接地开关212而没有串联电阻器213，该第二屏蔽接地开关212的导通电阻大于第一屏蔽接地开关211的，使得第二接地路径与第一接地路径相比仍是弱接地路径。
35.当便携式设备电缆的屏蔽件短接到电压源时，流经接地路径的电流在屏蔽引脚处产生电压。当感测到的电压超出阈值时，电压比较器会被触发而向故障控制模块报告故障状况，该故障控制模块然后输出信号以经由驱动器使屏蔽接地开关关闭。在一个或多个实施例中，一旦故障状况被消除或在预定的时间间隔之后，再次打开屏蔽接地开关。
36.在一个或多个实施例中，对于典型的c型usb连接，连接接口或插座221内包括两个配置通道(cc)引脚，这些引脚和电缆230上的cc线236被用于建立并管理源到宿(source
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to
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sink)连接。第二设备250通过usb c型电缆连接到第一设备210可以通过cc引脚上的电压降来确定，该电压降是由可以作为宿或便携式设备的设备250内的内部电阻或下拉电阻器(rd)252导致的。比较器227确定由设备内的内部电阻引起的跨cc引脚的电压降。为了简单起见，图2中仅示出了连接的cc引脚。本领域技术人员应该理解针对c型usb连接的接线。
37.在连接检测期间，需要接地以允许来自电流源226的电流通过连接的cc引脚流到电阻器252。第一设备使用两个比较器227(为了简单起见，图2中仅示出了一个比较器)来监测这两个引脚，以检测小于无端接电压的电压。在一个或多个实施例中，大于或等于2.75v的电压被视为无端接的(例如，无有效插入)。一旦监测到这样的电压降，比较器227就将结果发送至逻辑控制模块224，以指示宿(sink)、通电电缆、或经由通电电缆连接的宿已经附接到第一设备。即，比较器227利用第二接地路径的第二屏蔽接地开关212确定设备连接到电缆连接接口。在一个或多个实施例中，当附接检测完成后，将电流源226从操作中撤出以节省电力。在系统启动后等待第二设备连接时以及在连接检测期间，屏蔽接地开关应该保持打开。然而，通过第一屏蔽接地开关211的强接地路径可能易于发生屏蔽件短接到电池事件。在一个或多个实施例中，首先建立通过第二屏蔽接地开关212的第二接地路径，以感测电缆上的有效附接。第二接地路径也可以被称为弱接地，因为第二接地路径的接地电阻是第二屏蔽接地开关212的导通电阻和串联电阻器213之和。第二接地路径的接地电阻比用于第一接地路径的接地电阻大。附接建立之后，关闭第二屏蔽接地开关212，并建立通过第一屏蔽接地开关211的强接地。这样的接地配置通过避免高电流从短接到电缆的电池流到强屏蔽fet接地来提供保护。
38.第一屏蔽接地开关211或第二屏蔽接地开关212可以基于电压变化的速率高于或大于参考斜率vref2且未检测到通过电源引脚的电流而断开屏蔽引脚的接地路径，并且第
一屏蔽接地开关211或第二屏蔽接地开关212基于电压变化的速率高于或大于参考斜率vref2且检测到通过电源引脚的电流而连接接地路径。
39.图3描绘了根据各种实施例的用于屏蔽故障检测和保护的操作过程。针对具有包括经由屏蔽接地开关接地的屏蔽引脚的电缆连接接口的第一设备210，在步骤305中，由斜率检测器检测屏蔽引脚上的电压变化的速率。在步骤310中，斜率检测器将检测到的电压变化的速率与参考斜率进行比较。步骤315中，响应于检测到的速率大于参考斜率，由电流感测电路读取(例如，感测)通过电源引脚的电流，以进行验证或区别。在步骤320中，响应于未检测到通过电源引脚的电流或通过电源引脚的电流的变化速率小于检测到的通过屏蔽接地开关的电流的转换速率，逻辑控制模块输出信号来关闭屏蔽接地开关，以将屏蔽引脚与地解耦。在一个或多个实施例中，一旦故障状况被消除或在预定的时间间隔之后，再次打开屏蔽接地开关。
40.图4描绘了根据各种实施例的在建立强接地路径之前建立弱接地路径的用于屏蔽故障保护的操作过程。在步骤405中，关闭第一屏蔽接地开关以禁用第一接地路径，打开第二屏蔽接地开关以建立屏蔽引脚的第二接地路径。第二接地路径的接地电阻比第一接地电阻大。在步骤410中，在第二设备经由连接电缆连接到第一设备之后，验证第二设备以进行连接检测。在一个或多个实施例中，用于连接检测的验证可以包括确定当电流从电流源226流经cc引脚和第二设备250内的电阻器252时cc引脚上的电压降的上述过程。在第一设备加电并等待第二设备连接时以及在连接检测期间，在步骤415中，使用包括阈值检测、斜率检测、电流感测等的一个或多个上述方法来监测屏蔽引脚以检测屏蔽故障。在步骤420中，在完成连接检测并且未检测到屏蔽故障时，关闭第二屏蔽接地开关以禁用第二接地路径或者保持打开第二屏蔽接地开关，并且打开第一屏蔽接地开关以建立屏蔽引脚的第一接地路径。在一个或多个实施例中，可以始终打开第二屏蔽接地，以使接地路径甚至在过渡阶段也可用。在步骤425中，第一设备和第二设备可以开始与所启用的屏蔽引脚的第一接地路径进行电力和/或数据通信。
41.对于本领域技术人员将理解的是，前述示例和实施例是示例性的并且不限于本披露的范围。意图是，在阅读本说明书和研究附图之后对本领域技术人员而言显而易见的所有排列、增强、等效物、组合以及对其的改进都包括在本披露的真实精神和范围内。还应注意的是，任何权利要求的要素都可以以不同方式布置，包括具有多种依赖性、配置和组合。