助聽器是一種小型的穿戴式電子裝置,能放大聲音以協助聽力受損的人。過去的20-30年間,助聽(hearing aid)技術一直在不斷改善中。例如,相較於更便宜的舊式類比電路型助聽器,更精密複雜的新型數位助聽器可透過編程放大某些特定頻率。

此外,數位助聽器還能經由調整以滿足佩戴者個人的獨特聽力需求,協助其適應某些聽說環境,還能夠編程為專注於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裝置更複雜。

根據美國國家聽障和溝通障礙研究院(NIDCD)統計,年齡在18歲及以上的美國成年人(約3,750萬人)中就有15%存在某種程度的聽力問題。此外,美國國家衛生研究院(NIH)的資料也顯示,美國助聽器市場的銷售量每年平均成長3%-4%,2014年的助聽器銷量超過300萬個。目前,最流行的兩種產品類型是耳背式(behind-the-ear;BTE)助聽器和耳道式/耳內式接收器(RIC/RITE)助聽器。

針對BTE或RIC/RITE型助聽器,當今最常見的供電解決方案包括使用非充電式小型鋅-空氣(Zn-Air)主電池(0.9V至1.25V)。這種電池的化學組成中有極高的體積能量密度,因此可提供很長的運作時間,外形尺寸也很小巧。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。對於手指不靈巧、上了年紀的退休人士而言,頻繁更換放在很小外殼中的小型電池尤其成問題。

相形之下,鋰離子電池提供較可接收的運作時間,加上還可以充電,因此不需要頻繁更換。然而,目前市場上並沒有單晶片的電池充電解決方案。典型的助聽器電子電路直接用單節鋅-空氣電池運作,而鋰離子電池的輸出電壓大約是鋅-空氣電池的3倍。因此,基於鋰離子電池的解決方案需要電池充電器和降壓型穩壓器來提供正確的電壓,以便為助聽器ASIC晶片供電。這種多IC解決方案的尺寸相對較大,而且會產生開關雜訊/EMI,這對於敏感的音訊電路而言可能會是個問題。

採用可充電的鎳氫金屬(NiMH)電池供電是兩全其美的解決方案。鎳氫電池的電壓輸出幾乎與鋅-空氣電池相同(因此無需增加降壓穩壓器),不僅可充電,而且外形尺寸與標準鋅-空氣電池相同,因而可實現外形尺寸小的助聽器,使其成為一種非常有吸引力的選擇。

那麼,為什麼需要無線充電器呢? 答案很清楚:電池可充電,就無需頻繁更換電池了;正如上面提到的,這對於手指不靈巧的人是非常有利的,甚至對於手指仍然靈活操作的人而言,不用頻繁更換電池也更方便。無線充電是指無需使用電線或連接器即可進行充電。因此,結合無線充電方法與鎳氫電池,可以提供一種堅固、便利的充電解決方案。這種解決方案能夠讓助聽器密封且防水,減少了打開助聽器的需要,同時還可保護助聽器,因此提高了可靠性和壽命。

表1分別列出上述3種類型電池的優缺點。

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無線功率傳輸

電感式無線功率傳輸(WPT)系統(如圖1所示)由發送器電路、發送線圈、接收線圈和接收器電路組成。接收到的功率取決於許多因素:發送功率、發送(Tx)線圈和接收(Rx)線圈之間的耦合(距離、校準、實體特性與鐵氧體等)、附近的無關金屬物體以及元件容限等。在無線功率傳輸系統中,功率是採用交變磁場而發送的。在發送線圈中的交流(AC)電流產生一個磁場。當接收線圈被置於該磁場時,在接收線圈中將會感應一個AC電流。在接收線圈上感應的AC電流是在發送器上施加的AC電流以及發送線圈和接收線圈之間磁耦合的一個函數。採用諧振能夠改善整個空氣間隙的功率傳輸距離,其方式是連接諧振電容器與接收線圈,以產生一個調諧頻率與發送線圈 AC 電流頻率相同的 LC 諧振電路。

20180130_ADI_TA31P2 圖1:無線功率傳輸系統

氣隙

長久以來,建立一個WPT充電系統需要複雜的解決方案:電池充電器、降壓型開關穩壓器和WPT電路。這種複雜的解決方案往往尺寸很大,也難以設計。

新型無線電源接收器和NiMH電池充電器

解決上述問題的無線電源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,能夠構成密封、防水和更堅固的助聽器
  • 單片式解決方案:小型整合式接收器和WPT電路都在同一個IC中
  • 溫度補償充電:能夠安全地為鎳氫電池充電
  • 鋅-空氣電池檢測:助聽器可以用鎳氫電池或鋅-空氣電池供電。可充電的鎳氫電池在正常情況下使用,而在用戶忘記為鎳氫電池充電的緊急情況下,可以安全地插入不可充電的鋅-空氣電池,因而不至於造成損壞。
  • 極性反置檢測:在電池方向插反時停止充電
  • 充電狀態指示:用戶可以知道何時該為電池充電
  • 充電安全計時器:為電池提供安全保護
  • 溫度過高/過低檢測:如果電池溫度達到極端值,就暫停充電
  • 整體尺寸小巧的解決方案

為了滿足這些具體的需求,ADI推出了一款30mW的低功率無線充電器LTC4123。該元件具有為鎳氫電池設計的恆定電流/恆定電壓線性充電器,例如Varta的PowerOne ACCU Plus系列電池。透過外部LC諧振電路連接至該無線接收器,使其能夠以無線方式從發送線圈產生的交變磁場接收功率。整合的電源管理電路將耦合的AC電流轉換成為電池充電所需的直流(DC)電流。完全密封的產品也可以採用該元件進行無線充電,而且免除了不斷地更換鋅-空氣主電池的必要。

不過,針對需要靈活地以多種電池化學組成運作的產品而言,LTC4123的鋅-空氣電池檢測功能可讓相同的應用電路在可充電鎳氫電池和鋅-空氣主電池之間互換運作。這兩種類型的電池都可以直接為助聽器ASIC供電,而無需額外的電壓轉換。相形之下,除了為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壓器。

透過該無線充電器,能夠為來自接收線圈的AC功率整流,還可以接受2.2V至5V輸入,以便為全功能恆定電流/恆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、具有±1%準確度的溫度補償1.5V單節電池充電電壓、充電狀態指示以及內建的安全充電終止計時器。溫度補償的充電電壓保護鎳氫電池,並防止過度充電。當電池插入時的極性反置時,還可防止該元件進行充電,如果溫度過高或過低,就會暫停充電。

低功率無線充電器實現無線功率傳輸

電感性無線功率傳輸系統由發送器電路、發送線圈、接收器電路和接收線圈組成。在這一類系統中,低功率無線充電器LTC4123構成了接收器電路的基礎;接收線圈可被整合至接收器電路的印刷電路板(PCB)中。連接至ACIN接腳的外部LC諧振電路讓該元件可從發送線圈產生的交變磁場無線接收功率,並可搭配如LTC6990 TimerBlox壓控晶體振盪器作為發送器。

20180130_ADI_TA31P3 圖 2:低功率無線充電器的典型應用原理圖

20180130_ADI_TA31P4 圖3:低功率無線充電器/接收器電路尺寸精巧(以LTC4123為例)

20180130_ADI_TA31P5 圖4:精巧的無線傳輸電路器/線圈示意圖

架構優勢

相較於基於鋰離子電池+降壓型穩壓器的多晶片途徑,低功率無線充電器解決方案具有以下的架構優勢:

  1. 單節可充電鎳氫電池恰好能無縫地取代標準助聽器應用的鋅-空氣主電池。
  2. 就特定尺寸的電池而言,鎳氫電池也許無法提供與鋰離子電池解決方案同樣長的運作時間,但是其運作時間對於應用而言已經足夠了。
  3. 無需額外的降壓型穩壓階段,因而能縮減解決方案的尺寸、複雜度和成本,無需擔心干擾音頻品質的EMI/EMC 開關頻率噪訊。
  4. 非常簡便的單晶片無線充電解決方案,適用於鎳氫電池化學組成。

結論

基於低功率無線充電器的可充電鎳氫電池供電解決方案為助聽器設計人員提供了出色的功能且易於建置。例如LTC4123,鎳氫電池與鋅-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,並提供一套獨特的功能,在對系統做出很少改變的情況下,為助聽器或其他穿戴式裝置提供了無線可充電能力和廣泛的保護功能。最終,手指靈巧性不再是更換電池的前提條件了!