【導讀】與相對便宜的較舊式模擬電路型助聽器相比，更加精細復雜和較新型的數(shù)字助聽器可通過編程以對某些頻率的放大多于其他頻率。此外，數(shù)字助聽器可以調(diào)整以滿足佩戴者個人的獨特聽力需求，可以適應某些聽說環(huán)境，還能夠設定為專注于來自特定方向的聲音。本文介紹了如何給越來越小，越來越復雜的助聽器設計合適的無線充電解決方案。
一般而言，助聽器是一種小型可穿戴電子設備，放大聲音以幫助聽力受損的人。過去20到30年以來，助聽技術一直在不斷改進。例如，與相對便宜的較舊式模擬電路型助聽器相比，更加精細復雜和較新型的數(shù)字助聽器可通過編程以對某些頻率的放大多于其他頻率。此外，數(shù)字助聽器可以調(diào)整以滿足佩戴者個人的獨特聽力需求，可以適應某些聽說環(huán)境，還能夠設定為專注于來自特定方向的聲音。這些功能使助聽器比簡單的聲音放大解決方案復雜得多。
大約15%年齡在18歲及以上的美國成年人(約3750萬人) 表示有某種程度的聽力問題 (數(shù)據(jù)來源：NIDCD)。過去，美國助聽器銷售總量每年平均增長3%到4%，2014年，美國助聽器銷量超過300萬個(數(shù)據(jù)來源：NIH)。兩種最流行的類型是耳背式(BTE)助聽器和耳道式/耳內(nèi)式(RIC/RITE)助聽器。
就BTE或RIC/RITE型助聽器而言，如今最常見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)。這種電池的化學組成有極高的體積能量密度，因此可提供很長的運行時間，外形尺寸很小。不過，鋅-空氣電池不能充電，每隔7到10天，用戶就得更換電池。對于手指不靈巧、上了年紀的退休人士而言，頻繁更換放在很小的外殼中的小型電池尤其成問題。
相比之下，鋰離子電池提供可以接受的運行時間，加上還可以充電，因此不需要頻繁更換。不過，目前市場上沒有單IC電池充電解決方案。典型的助聽器電子電路直接用單節(jié)鋅-空氣電池運行，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)壓器來提供合適的電壓，以給助聽器ASIC(專用集成電路) 芯片供電。這種多IC解決方案尺寸相對較大，并產(chǎn)生開關噪聲/EMI，這對敏感的音頻電路而言可能是個問題。
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(因此無需增加降壓型穩(wěn)壓器)，是可充電電池，而且外形尺寸與標準鋅-空氣電池相同，從而允許構成總體外形尺寸很小的助聽器，因此是一種非常有吸引力的選擇。
那么，為什么需要無線充電器呢? 答案很清楚：電池可充電，就無需頻繁更換電池了，正如上面已經(jīng)提到的那樣，這對手指不靈巧的人是非常有利的。此外，甚至對那些手指仍然靈活的人而言，不用頻繁更換電池也更方便。無線充電方法與鎳氫金屬電池相結合，可以提供一種堅固、便利的充電解決方案。這種解決方案使助聽器能夠?qū)崿F(xiàn)密封和防水，減少了打開助聽器的需求，同時還可保護助聽器，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。
表 1：助聽器電池比較
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。
*運行時計算假定使用表中列出尺寸的電池時負載為 2.4mW。
無線功率傳輸 (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、對準度、物理特性、鐵氧體等)、附近的無關金屬物體以及組件容限。在無線功率傳輸系統(tǒng)中，功率是采用一個交變磁場來發(fā)送的。發(fā)送線圈中的AC電流產(chǎn)生一個磁場。當接收線圈被置于該磁場中時，在接收線圈中將感應一個AC電流。在接收線圈上感應的該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函數(shù)?？刹捎弥C振來改善跨越空氣間隙的功率傳輸距離，借助的方法是把一個諧振電容器連接至接收線圈，以產(chǎn)生一個調(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：無線功率傳輸系統(tǒng)(AIR GAP：空氣間隙)
過去，建立一個WPT充電系統(tǒng)需要復雜的解決方案：電池充電器、降壓型開關穩(wěn)壓器和WPT電路。這種復雜的解決方案往往尺寸很大，難以設計。
新的無線功率接收器和鎳氫金屬電池充電器
解決上述問題的無線功率接收器和充電器解決方案需要具備以下特點：
- 無線充電─無需頻繁更換電池，允許構成密封、防水和更加堅固的助聽器
- 單片式解決方案─小型集成式接收器和WPT電路都在一個IC之中
- 溫度補償充電─允許安全地給鎳氫金屬電池充電
- 鋅-空氣電池檢測─助聽器可以用鎳氫金屬電池或鋅-空氣電池供電。可充電鎳氫金屬電池在正常情況下使用，但用戶也許有忘記給鎳氫金屬電池充電的時候，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確保不會給鋅-空氣電池充電 (因此不會損壞鋅-空氣電池)。
- 極性反置檢測─在電池方向插反時停止充電
- 充電狀態(tài)指示─用戶可以知道何時給電池充電
- 充電安全定時器─針對電池提供安全保護
- 溫度過高/過低檢測─如果電池溫度達到極端值，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。一個連接至LTC4123的外部LC諧振電路使得該IC能夠以無線的方式從一個由發(fā)送線圈產(chǎn)生的交變磁場接收功率。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進行無線充電允許產(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，就需要靈活地用多種電池化學組成運行的產(chǎn)品而言，LTC4123的鋅-空氣電池檢測功能允許相同的應用電路用可充電鎳氫金屬電池和鋅-空氣主電池互換運行。兩種類型的電池都可以直接給助聽器ASIC供電，而無需額外的電壓轉(zhuǎn)換。相比之下，除了給ASIC供電的無線電池充電功能，3.7V鋰離子電池還需要一個降壓型穩(wěn)壓器。
LTC4123對來自接收線圈的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25mA的可編程充電電流、具±1%準確度的溫度補償1.5V單節(jié)電池充電電壓、充電狀態(tài)指示和一個內(nèi)置的安全充電終止定時器。溫度補償?shù)某潆婋妷罕Ｗo鎳氫金屬電池，并防止過度充電。當電池插入極性反置時，LTC4123防止充電，如果溫度過高或過低，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級版本在–20°C至85°C溫度范圍內(nèi)工作有保證。
用LTC4123實現(xiàn)無線功率傳輸
電感性無線功率傳輸系統(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構成了接收器電子電路的基礎。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)生的交變磁場無線接收功率。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。參見圖2的典型應用原理圖。參見圖3、4和5的接收器/充電器和發(fā)送器演示電路板，以了解這個尺寸很小的纖巧解決方案。
圖 2：LTC4123 典型應用原理圖
圖3：LTC4123緊湊和簡便的充電器/接收器電路(直徑6mm的解決方案)。
圖4：緊湊和簡便的發(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)。
架構優(yōu)勢
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優(yōu)勢：
- 單節(jié)可充電鎳氫金屬電池恰好可以天衣無縫地取代標準助聽器應用的鋅-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的運行時間，但是其運行時間對應用而言足夠了。
- 無需額外的降壓型穩(wěn)壓級，因此減小了解決方案尺寸、降低了復雜性和成本，不用擔心干擾音頻質(zhì)量的EMI/EMC 開關頻率噪聲。
- 非常簡便的單芯片無線充電解決方案以適用于鎳氫金屬電池化學組成。
結論
基于LTC4123的可充電鎳氫金屬電池供電解決方案為助聽器設計師提供了出色的功能和易于實現(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，外形尺寸與標準鋅-空氣電池幾乎相同。LTC4123提供一套獨特的功能，在對系統(tǒng)做出很少改變的情況下，為助聽器或其他可穿戴設備提供了無線可充電能力和廣泛的保護功能。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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