背景信息

一般而言，助聽器是一種小型可穿戴電子設(shè)備，放大聲音以幫助聽力受損的人。過(guò)去 20 到 30 年以來(lái)，助聽技術(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器相比，更加精細(xì)復(fù)雜和較新型的數(shù)字助聽器可通過(guò)編程以對(duì)某些頻率的放大多于其他頻率。此外，數(shù)字助聽器可以調(diào)整以滿足佩戴者個(gè)人的獨(dú)特聽力需求，可以適應(yīng)某些聽說(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力問(wèn)題 (數(shù)據(jù)來(lái)源：NIDCD)。過(guò)去，美國(guó)助聽器銷售總量每年平均增長(zhǎng) 3% 到 4%，2014 年，美國(guó)助聽器銷量超過(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(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)線充電就是不用導(dǎo)線充電，無(wú)需連接器。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(shí)還可保護(hù)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(diǎn)。

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(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)

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�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(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，凌力爾特 (現(xiàn)隸屬 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 x 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。參見圖 2 的典型應(yīng)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(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)：

1. 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)助聽器應(yīng)用的鋅-空氣主電池。

2. 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。

3. 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 開關(guān)頻率噪聲。

4. 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!