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你能「听」出数位助听器的不同吗?

2018-01-30 17:16:33 来源:eettaiwan

【大比特导读】新型数位助听器可透过编程放大某些特定频率,还能配合佩戴者的独特听力需求进行调整,协助其适应某些听说环境。本文介绍如何为越来越小越复杂的助听器设计合适的无线充电解决方案。

助听器是一种小型的穿戴式电子装置,能放大声音以协助听力受损的人。过去的20-30年间,助听(hearing aid)技术一直在不断改善中。例如,相较于更便宜的旧式类比电路型助听器,更精密复杂的新型数位助听器可透过编程放大某些特定频率。

此外,数位助听器还能经由调整以满足佩戴者个人的独特听力需求,协助其适应某些听说环境,还能够编程为专注于来自特定方向的声音。这些功能使助听器比简单的声音放大装置更复杂。

根据美国国家听障和沟通障碍研究院(NIDCD)统计,年龄在18岁及以上的美国成年人(约3,750万人)中就有15%存在某种程度的听力问题。此外,美国国家卫生研究院(NIH)的资料也显示,美国助听器市场的销售量每年平均成长3%-4%,2014年的助听器销量超过300万个。目前,最流行的两种产品类型是耳背式(behind-the-ear;BTE)助听器和耳道式/耳内式接收器(RIC/RITE)助听器。

针对BTE或RIC/RITE型助听器,当今最常见的供电解决方案包括使用非充电式小型锌-空气(Zn-Air)主电池(0.9V至1.25V)。这种电池的化学组成中有极高的体积能量密度,因此可提供很长的运作时间,外形尺寸也很小巧。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、上了年纪的煺休人士而言,频繁更换放在很小外壳中的小型电池尤其成问题。

相形之下,锂离子电池提供较可接收的运作时间,加上还可以充电,因此不需要频繁更换。然而,目前市场上并没有单晶片的电池充电解决方案。典型的助听器电子电路直接用单节锌-空气电池运作,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正确的电压,以便为助听器ASIC晶片供电。这种多IC解决方案的尺寸相对较大,而且会产生开关杂讯/EMI,这对于敏感的音讯电路而言可能会是个问题。

採用可充电的镍氢金属(NiMH)电池供电是两全其美的解决方案。镍氢电池的电压输出几乎与锌-空气电池相同(因此无需增加降压稳压器),不仅可充电,而且外形尺寸与标準锌-空气电池相同,因而可实现外形尺寸小的助听器,使其成为一种非常有吸引力的选择。

那么,为什么需要无线充电器呢? 答案很清楚:电池可充电,就无需频繁更换电池了;正如上面提到的,这对于手指不灵巧的人是非常有利的,甚至对于手指仍然灵活操作的人而言,不用频繁更换电池也更方便。无线充电是指无需使用电线或连接器即可进行充电。因此,结合无线充电方法与镍氢电池,可以提供一种坚固、便利的充电解决方案。这种解决方案能够让助听器密封且防水,减少了打开助听器的需要,同时还可保护助听器,因此提高了可靠性和寿命。

表1分别列出上述3种类型电池的优缺点。

你能「听」出数位助听器的不同吗?

无线功率传输

电感式无线功率传输(WPT)系统(如图1所示)由发送器电路、发送线圈、接收线圈和接收器电路组成。接收到的功率取决于许多因素:发送功率、发送(Tx)线圈和接收(Rx)线圈之间的耦合(距离、校準、实体特性与铁氧体等)、附近的无关金属物体以及元件容限等。在无线功率传输系统中,功率是採用交变磁场而发送的。在发送线圈中的交流(AC)电流产生一个磁场。当接收线圈被置于该磁场时,在接收线圈中将会感应一个AC电流。在接收线圈上感应的AC电流是在发送器上施加的AC电流以及发送线圈和接收线圈之间磁耦合的一个函数。採用谐振能够改善整个空气间隙的功率传输距离,其方式是连接谐振电容器与接收线圈,以产生一个调谐频率与发送线圈 AC 电流频率相同的 LC 谐振电路。

你能「听」出数位助听器的不同吗?

图1:无线功率传输系统

气隙

长久以来,建立一个WPT充电系统需要复杂的解决方案:电池充电器、降压型开关稳压器和WPT电路。这种复杂的解决方案往往尺寸很大,也难以设计。

新型无线电源接收器和NiMH电池充电器

解决上述问题的无线电源接收器和充电器解决方案需要具备以下特点:

无线充电:无需频繁更换电池,能够构成密封、防水和更坚固的助听器

单片式解决方案:小型整合式接收器和WPT电路都在同一个IC中

温度补偿充电:能够安全地为镍氢电池充电

锌-空气电池检测:助听器可以用镍氢电池或锌-空气电池供电。可充电的镍氢电池在正常情况下使用,而在用户忘记为镍氢电池充电的紧急情况下,可以安全地插入不可充电的锌-空气电池,因而不至于造成损坏。

极性反置检测:在电池方向插反时停止充电

充电状态指示:用户可以知道何时该为电池充电

充电安全计时器:为电池提供安全保护

温度过高/过低检测:如果电池温度达到极端值,就暂停充电

整体尺寸小巧的解决方案

为了满足这些具体的需求,ADI推出了一款30mW的低功率无线充电器LTC4123。该元件具有为镍氢电池设计的恆定电流/恆定电压线性充电器,例如Varta的PowerOne ACCU Plus系列电池。透过外部LC谐振电路连接至该无线接收器,使其能够以无线方式从发送线圈产生的交变磁场接收功率。整合的电源管理电路将耦合的AC电流转换成为电池充电所需的直流(DC)电流。完全密封的产品也可以採用该元件进行无线充电,而且免除了不断地更换锌-空气主电池的必要。

不过,针对需要灵活地以多种电池化学组成运作的产品而言,LTC4123的锌-空气电池检测功能可让相同的应用电路在可充电镍氢电池和锌-空气主电池之间互换运作。这两种类型的电池都可以直接为助听器ASIC供电,而无需额外的电压转换。相形之下,除了为ASIC供电的无线电池充电功能,3.7V锂离子电池还需要一个降压型稳压器。

透过该无线充电器,能够为来自接收线圈的AC功率整流,还可以接受2.2V至5V输入,以便为全功能恆定电流/恆定电压电池充电器供电。充电器的功能包括高达25mA的可编程充电电流、具有±1%準确度的温度补偿1.5V单节电池充电电压、充电状态指示以及内建的安全充电终止计时器。温度补偿的充电电压保护镍氢电池,并防止过度充电。当电池插入时的极性反置时,还可防止该元件进行充电,如果温度过高或过低,就会暂停充电。

低功率无线充电器实现无线功率传输

电感性无线功率传输系统由发送器电路、发送线圈、接收器电路和接收线圈组成。在这一类系统中,低功率无线充电器LTC4123构成了接收器电路的基础;接收线圈可被整合至接收器电路的印刷电路板(PCB)中。连接至ACIN接脚的外部LC谐振电路让该元件可从发送线圈产生的交变磁场无线接收功率,并可搭配如LTC6990 TimerBlox压控晶体振盪器作为发送器。

你能「听」出数位助听器的不同吗?

图 2:低功率无线充电器的典型应用塬理图

你能「听」出数位助听器的不同吗?

图3:低功率无线充电器/接收器电路尺寸精巧(以LTC4123为例)

你能「听」出数位助听器的不同吗?

图4:精巧的无线传输电路器/线圈示意图

架构优势

相较于基于锂离子电池+降压型稳压器的多晶片途径,低功率无线充电器解决方案具有以下的架构优势:

单节可充电镍氢电池恰好能无缝地取代标準助听器应用的锌-空气主电池。

就特定尺寸的电池而言,镍氢电池也许无法提供与锂离子电池解决方案同样长的运作时间,但是其运作时间对于应用而言已经足够了。

无需额外的降压型稳压阶段,因而能缩减解决方案的尺寸、复杂度和成本,无需担心干扰音频品质的EMI/EMC 开关频率噪讯。

非常简便的单晶片无线充电解决方案,适用于镍氢电池化学组成。

结论

基于低功率无线充电器的可充电镍氢电池供电解决方案为助听器设计人员提供了出色的功能且易于建置。例如LTC4123,镍氢电池与锌-空气电池的电压输出几乎相同,是可充电的,外形尺寸与标準锌-空气电池几乎相同,并提供一套独特的功能,在对系统做出很少改变的情况下,为助听器或其他穿戴式装置提供了无线可充电能力和广泛的保护功能。最终,手指灵巧性不再是更换电池的前提条件了!

本文由大比特资讯收集整理(www.big-bit.com)

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