【導(dǎo)讀】與相對(duì)便宜的較舊式模擬電路型助聽(tīng)器相比，更加精細(xì)復(fù)雜和較新型的數(shù)字助聽(tīng)器可通過(guò)編程以對(duì)某些頻率的放大多于其他頻率。此外，數(shù)字助聽(tīng)器可以調(diào)整以滿足佩戴者個(gè)人的獨(dú)特聽(tīng)力需求，可以適應(yīng)某些聽(tīng)說(shuō)環(huán)境，還能夠設(shè)定為專注于來(lái)自特定方向的聲音。本文介紹了如何給越來(lái)越小，越來(lái)越復(fù)雜的助聽(tīng)器設(shè)計(jì)合適的無(wú)線充電解決方案。
一般而言，助聽(tīng)器是一種小型可穿戴電子設(shè)備，放大聲音以幫助聽(tīng)力受損的人。過(guò)去20到30年以來(lái)，助聽(tīng)技術(shù)一直在不斷改進(jìn)。例如，與相對(duì)便宜的較舊式模擬電路型助聽(tīng)器相比，更加精細(xì)復(fù)雜和較新型的數(shù)字助聽(tīng)器可通過(guò)編程以對(duì)某些頻率的放大多于其他頻率。此外，數(shù)字助聽(tīng)器可以調(diào)整以滿足佩戴者個(gè)人的獨(dú)特聽(tīng)力需求，可以適應(yīng)某些聽(tīng)說(shuō)環(huán)境，還能夠設(shè)定為專注于來(lái)自特定方向的聲音。這些功能使助聽(tīng)器比簡(jiǎn)單的聲音放大解決方案復(fù)雜得多。
大約15%年齡在18歲及以上的美國(guó)成年人(約3750萬(wàn)人) 表示有某種程度的聽(tīng)力問(wèn)題 (數(shù)據(jù)來(lái)源：NIDCD)。過(guò)去，美國(guó)助聽(tīng)器銷售總量每年平均增長(zhǎng)3%到4%，2014年，美國(guó)助聽(tīng)器銷量超過(guò)300萬(wàn)個(gè)(數(shù)據(jù)來(lái)源：NIH)。兩種最流行的類型是耳背式(BTE)助聽(tīng)器和耳道式/耳內(nèi)式(RIC/RITE)助聽(tīng)器。
就BTE或RIC/RITE型助聽(tīng)器而言，如今最常見(jiàn)的供電解決方案包括使用小型非充電鋅-空氣(Zn-Air)主電池(0.9V至1.25V)。這種電池的化學(xué)組成有極高的體積能量密度，因此可提供很長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，外形尺寸很小。不過(guò)，鋅-空氣電池不能充電，每隔7到10天，用戶就得更換電池。對(duì)于手指不靈巧、上了年紀(jì)的退休人士而言，頻繁更換放在很小的外殼中的小型電池尤其成問(wèn)題。
相比之下，鋰離子電池提供可以接受的運(yùn)行時(shí)間，加上還可以充電，因此不需要頻繁更換。不過(guò)，目前市場(chǎng)上沒(méi)有單IC電池充電解決方案。典型的助聽(tīng)器電子電路直接用單節(jié)鋅-空氣電池運(yùn)行，而鋰離子電池的輸出電壓大約是鋅-空氣電池的3倍。因此基于鋰離子電池的解決方案需要電池充電器和降壓型穩(wěn)壓器來(lái)提供合適的電壓，以給助聽(tīng)器ASIC(專用集成電路) 芯片供電。這種多IC解決方案尺寸相對(duì)較大，并產(chǎn)生開(kāi)關(guān)噪聲/EMI，這對(duì)敏感的音頻電路而言可能是個(gè)問(wèn)題。
用可充電鎳氫金屬(NiMH)電池供電是兩全其美的解決方案。鎳氫金屬電池的電壓輸出幾乎與鋅-空氣電池相同(因此無(wú)需增加降壓型穩(wěn)壓器)，是可充電電池，而且外形尺寸與標(biāo)準(zhǔn)鋅-空氣電池相同，從而允許構(gòu)成總體外形尺寸很小的助聽(tīng)器，因此是一種非常有吸引力的選擇。
那么，為什么需要無(wú)線充電器呢? 答案很清楚：電池可充電，就無(wú)需頻繁更換電池了，正如上面已經(jīng)提到的那樣，這對(duì)手指不靈巧的人是非常有利的。此外，甚至對(duì)那些手指仍然靈活的人而言，不用頻繁更換電池也更方便。無(wú)線充電方法與鎳氫金屬電池相結(jié)合，可以提供一種堅(jiān)固、便利的充電解決方案。這種解決方案使助聽(tīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)密封和防水，減少了打開(kāi)助聽(tīng)器的需求，同時(shí)還可保護(hù)助聽(tīng)器，因此提高了可靠性和壽命。
表 1 列出了上述 3 種類型電池各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
表 1：助聽(tīng)器電池比較
假定鋅-空氣電池成本為0.30美元、鎳氫金屬電池為 8.50美元、而鋰離子電池為8美元。
*運(yùn)行時(shí)計(jì)算假定使用表中列出尺寸的電池時(shí)負(fù)載為 2.4mW。
無(wú)線功率傳輸 (WPT)
電感性 WPT 系統(tǒng)(如圖1所示)由發(fā)送器電子電路、發(fā)送線圈、接收線圈和接收器電子電路組成。接收到的功率取決于很多因素：發(fā)送功率、發(fā)送(Tx)線圈和接收(Rx)線圈 (距離、對(duì)準(zhǔn)度、物理特性、鐵氧體等)、附近的無(wú)關(guān)金屬物體以及組件容限。在無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)中，功率是采用一個(gè)交變磁場(chǎng)來(lái)發(fā)送的。發(fā)送線圈中的AC電流產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。當(dāng)接收線圈被置于該磁場(chǎng)中時(shí)，在接收線圈中將感應(yīng)一個(gè)AC電流。在接收線圈上感應(yīng)的該AC電流是在發(fā)送器上施加的AC電流以及發(fā)送線圈和接收線圈之間的磁耦合的一個(gè)函數(shù)?？刹捎弥C振來(lái)改善跨越空氣間隙的功率傳輸距離，借助的方法是把一個(gè)諧振電容器連接至接收線圈，以產(chǎn)生一個(gè)調(diào)諧頻率與發(fā)送線圈 AC 電流頻率相同的 LC 諧振電路。
圖 1：無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)(AIR GAP：空氣間隙)
過(guò)去，建立一個(gè)WPT充電系統(tǒng)需要復(fù)雜的解決方案：電池充電器、降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和WPT電路。這種復(fù)雜的解決方案往往尺寸很大，難以設(shè)計(jì)。
新的無(wú)線功率接收器和鎳氫金屬電池充電器
解決上述問(wèn)題的無(wú)線功率接收器和充電器解決方案需要具備以下特點(diǎn)：
- 無(wú)線充電─無(wú)需頻繁更換電池，允許構(gòu)成密封、防水和更加堅(jiān)固的助聽(tīng)器
- 單片式解決方案─小型集成式接收器和WPT電路都在一個(gè)IC之中
- 溫度補(bǔ)償充電─允許安全地給鎳氫金屬電池充電
- 鋅-空氣電池檢測(cè)─助聽(tīng)器可以用鎳氫金屬電池或鋅-空氣電池供電?？沙潆婃嚉浣饘匐姵卦谡Ｇ闆r下使用，但用戶也許有忘記給鎳氫金屬電池充電的時(shí)候，在這種緊急情況下，可以安全地插入不可充電的鋅-空氣電池 ，LTC4123確保不會(huì)給鋅-空氣電池充電 (因此不會(huì)損壞鋅-空氣電池)。
- 極性反置檢測(cè)─在電池方向插反時(shí)停止充電
- 充電狀態(tài)指示─用戶可以知道何時(shí)給電池充電
- 充電安全定時(shí)器─針對(duì)電池提供安全保護(hù)
- 溫度過(guò)高/過(guò)低檢測(cè)─如果電池溫度達(dá)到極端值，就暫停充電
- 尺寸很小的纖巧總體解決方
為了滿足這些具體的需求，ADI公司推出了LTC4123。該器件是一款30mW無(wú)線接收器，具面向鎳氫金屬電池的恒定電流/恒定電壓線性充電器，例如Varta公司的PowerOne ACCU Plus系列電池。一個(gè)連接至LTC4123的外部LC諧振電路使得該IC能夠以無(wú)線的方式從一個(gè)由發(fā)送線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)接收功率。集成的電源管理電路將耦合的AC電流轉(zhuǎn)換成給電池充電所需的DC電流。用LTC4123進(jìn)行無(wú)線充電允許產(chǎn)品是完全密封的，并且免除了不斷地更換鋅-空氣主電池的需要。
不過(guò)，就需要靈活地用多種電池化學(xué)組成運(yùn)行的產(chǎn)品而言，LTC4123的鋅-空氣電池檢測(cè)功能允許相同的應(yīng)用電路用可充電鎳氫金屬電池和鋅-空氣主電池互換運(yùn)行。兩種類型的電池都可以直接給助聽(tīng)器ASIC供電，而無(wú)需額外的電壓轉(zhuǎn)換。相比之下，除了給ASIC供電的無(wú)線電池充電功能，3.7V鋰離子電池還需要一個(gè)降壓型穩(wěn)壓器。
LTC4123對(duì)來(lái)自接收線圈的AC功率整流，還可以接受2.2V至5V輸入，以給全功能恒定電流/恒定電壓電池充電器供電。充電器的功能包括高達(dá)25mA的可編程充電電流、具±1%準(zhǔn)確度的溫度補(bǔ)償1.5V單節(jié)電池充電電壓、充電狀態(tài)指示和一個(gè)內(nèi)置的安全充電終止定時(shí)器。溫度補(bǔ)償?shù)某潆婋妷罕Ｗo(hù)鎳氫金屬電池，并防止過(guò)度充電。當(dāng)電池插入極性反置時(shí)，LTC4123防止充電，如果溫度過(guò)高或過(guò)低，就暫停充電。
LTC4123采用高度緊湊的扁平(0.75mm)6引線2mm×2mm DFN封裝。該器件的E級(jí)版本在–20°C至85°C溫度范圍內(nèi)工作有保證。
用LTC4123實(shí)現(xiàn)無(wú)線功率傳輸
電感性無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)由發(fā)送器電子電路、發(fā)送線圈、接收器電子電路和接收線圈組成。在這類系統(tǒng)中，LTC4123構(gòu)成了接收器電子電路的基礎(chǔ)。接收線圈可集成到接收器電子電路的印刷電路板(PCB)中。連至ACIN引腳的外部LC諧振電路允許該器件從發(fā)送線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)無(wú)線接收功率。LTC6990 TimerBlox壓控晶體振蕩器可用作發(fā)送器，如LTC4123數(shù)據(jù)表中所示。參見(jiàn)圖2的典型應(yīng)用原理圖。參見(jiàn)圖3、4和5的接收器/充電器和發(fā)送器演示電路板，以了解這個(gè)尺寸很小的纖巧解決方案。
圖 2：LTC4123 典型應(yīng)用原理圖
圖3：LTC4123緊湊和簡(jiǎn)便的充電器/接收器電路(直徑6mm的解決方案)。
圖4：緊湊和簡(jiǎn)便的發(fā)送電路和發(fā)送線圈(發(fā)送器演示電路板的正面和反面)。
架構(gòu)優(yōu)勢(shì)
與基于鋰離子電池+降壓型穩(wěn)壓器的多芯片方法相比，LTC4123解決方案具有以下架構(gòu)優(yōu)勢(shì)：
- 單節(jié)可充電鎳氫金屬電池恰好可以天衣無(wú)縫地取代標(biāo)準(zhǔn)助聽(tīng)器應(yīng)用的鋅-空氣主電池。
- 就給定尺寸的電池而言，鎳氫金屬電池也許不能提供與鋰離子電池解決方案同樣長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，但是其運(yùn)行時(shí)間對(duì)應(yīng)用而言足夠了。
- 無(wú)需額外的降壓型穩(wěn)壓級(jí)，因此減小了解決方案尺寸、降低了復(fù)雜性和成本，不用擔(dān)心干擾音頻質(zhì)量的EMI/EMC 開(kāi)關(guān)頻率噪聲。
- 非常簡(jiǎn)便的單芯片無(wú)線充電解決方案以適用于鎳氫金屬電池化學(xué)組成。
結(jié)論
基于LTC4123的可充電鎳氫金屬電池供電解決方案為助聽(tīng)器設(shè)計(jì)師提供了出色的功能和易于實(shí)現(xiàn)性。鎳氫金屬電池與鋅-空氣電池的電壓輸出幾乎相同，是可充電的，外形尺寸與標(biāo)準(zhǔn)鋅-空氣電池幾乎相同。LTC4123提供一套獨(dú)特的功能，在對(duì)系統(tǒng)做出很少改變的情況下，為助聽(tīng)器或其他可穿戴設(shè)備提供了無(wú)線可充電能力和廣泛的保護(hù)功能。最后，手指靈巧性不再是更換電池的前提條件了！
本文轉(zhuǎn)載自電子工程專輯。
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