摘要:助听器大概是这个世界最早也是很长时间内最多使用量的“可穿戴”电子产品。世界上有4.66亿人患有衰弱性听力损失,佩戴助听器被认为可以有效的解决这个问题。在过去20到30年以来,助听技术一直在不断改进。就耳背式助听器和耳道式/耳内式助听器而言,常见的供电解决方案包括使用小型非充电锌-空气(Zn-Air)主电池(0.9V至1.25V)。

助听器大概是这个世界最早也是很长时间内最多使用量的“可穿戴”电子产品。世界上有4.66亿人患有衰弱性听力损失,佩戴助听器被认为可以有效的解决这个问题。在过去20到30年以来,助听技术一直在不断改进。就耳背式助听器和耳道式/耳内式助听器而言,常见的供电解决方案包括使用小型非充电锌-空气(Zn-Air)主电池(0.9V至1.25V)。这种电池的化学组成有极高的体积能量密度,因此可提供很长的运行时间,外形尺寸很小。不过,锌-空气电池不能充电,每隔7到10天,用户就得更换电池。对于手指不灵巧、上了年纪的退休人士而言,频繁更换放在很小的外壳中的小型电池尤其成问题。

相比之下,锂离子电池提供可以接受的运行时间,并且还可以充电,因此不需要频繁更换。典型的助听器电子电路直接用单节锌-空气电池运行,而锂离子电池的输出电压大约是锌-空气电池的3倍。因此基于锂离子电池的解决方案需要电池充电器和降压型稳压器来提供合适的电压,以给助听器ASIC(专用集成电路)芯片供电。亚德诺半导体(ADI)公司的LTC4126是带有1.2 V无电感DC-DC转换器的全功能7.5 mA无线锂离子电池充电器,主要设计用于助听器、无线耳机以及其他需要无线充电的空间受限可穿戴产品。

高效的无线功率管理器

可穿戴设备越来越倾向于使用无线电池充电,助听器也不例外,这些设备在不使用电缆或外露连接器时,大大改善了用户的体验。LTC4126是一款低功耗电池充电器,集成了降压型DC/DC转换器,设计用于为单节锂离子电池无线充电,并提供1.2V输出,适合为助听器ASIC供电。降压型调节器是低噪声多模式电荷泵,由电池供电,输出端提供1.2V稳压电压。根据模式,开关频率设置为50kHz或75kHz,以保持开关噪声超出可听范围。该芯片具有一个无线功率控制器,使其能够从发射线圈产生的交流磁场无线接收功率。无线功率控制器将接收器端谐振电路的交流电压整流成VCC引脚的直流电压。此直流电压馈入线性充电器,线性充电器再调节对电池的充电。

LTC4126包括一个整体式无电感充电泵DC-DC转换器,通过电池调节系统负载输出。LTC4126的DC-DC转换器可通过其EN引脚开关,从而允许通过微处理器进行控制。EN引脚也可与LTC4126的PBEN引脚配合使用,以实现按钮控制——无需额外的去抖电路。充电泵DC-DC转换器具有三种操作模式,具体取决于电池电压,以提高整体效率。当VBAT > 3.6V 时,充电泵以3:1降压模式工作,并提供1.2V稳压输出,在该模式中,DC/DC转换器可提供的最大输出电流受内部限流电路的限制,大约为65mA;当电池电压介于3.6V和3.3V之间时,充电泵仍以3:1降压模式工作,但它不再能保持1.2V的稳压,而是提供电池电压的三分之一作为输出 (仅空载情况下);当电池电压低于3.3V时,充电泵切换到2:1降压模式,并再次提供1.2V稳压输出,在该模式中,DC/DC转换器可提供的最大输出电流随电池电压而降低,但不会降至约35mA以下。

由于LTC4126的高度集成式设计,因此只需几个外部组件即可创建完整的无线充电器接收器解决方案。在直径为6 mm的应用板上,可将整个设计安装在助听器或耳塞的内部。

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具有集成式DC-DC转换器和充电器状态输出的完整6 mm直径无线电池充电器接收器

搭配无线接收功率构成完整的无线充电设计

LTC4126可与基于LTC6990的ZVS单晶体管发射器组合使用,获得完整的无线充电解决方案。LTC6990是一款精密硅振荡器,可编程频率范围为488Hz至2MHz,可用作固定频率或压控振荡器(VCO)。

LTC6990是TimerBlox®系列通用硅定时套件的一部分,单个电阻RSET可对LTC6990的内部主振荡器频率进行编程设定。输出频率由这个主振荡器和内部分频器NDIV(可编程为八个从1至128的设置)确定。或者,SET输入端上的第二个电阻对输出频率进行线性电压控制且可用于频率调制。可通过适当选择两个电阻来配置窄体或宽体VCO调谐范围。LTC6990内置同步到主振荡器的使能功能,以确保清洁、无毛刺输出脉冲。

下图所示的单晶体管发射器是使用LTC6990作为振荡器来驱动低功率晶体管的简单谐振电路。为实现ZVS操作,发射器谐振回路频率设置为振荡频率的1.29倍。通过这种方式,大幅减少了开关损耗,并提高了整体无线充电效率。此发射器只需几个组件,并可安装在小型外壳中。

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具有单晶体管ZVS发射器和LTC4126接收器的完整无线充电解决方案

结论

根据世界卫生组织(WHO)发表的数据,全球有4.66亿人患有“残疾性听力损失”(即每20个人当中就有一个),预估到2050年,将有超过9亿人听力严重受损。随着听力丧失现象变得更加常见,人们将寻求更加小巧、更有效、更高品质的助听器。助听器作为高精尖的电子产品,绿色环保、操作便捷的可充电技术为听障人士提供更多选择。ADI公司的LTC4126是受到良好保护、高度集成、极其紧凑的无线充电器接收器解决方案,是可穿戴设备的理想选择。将LTC4126(可穿戴设备端)与基于LTC6990(充电站端)的ZVS单晶体管发射器组合在一起,可轻松实现完整的无线充电解决方案,基于这些设备的完整解决方案不仅具有低功耗,而且成本也比较低。