Bygga trådlösa smarta hörlurar för sport och motion – del 3: trådlös strömhantering

Redaktörens anmärkning: Trådlösa smarta hörlurar för sport och motion har stor potential men innebär vissa designutmaningar inom framför allt tre områden: biometrisk mätning, ljudbehandling och trådlös laddning. I den här artikelserien om tre artiklar undersöker vi de olika utmaningarna och visar hur utvecklare kan dra fördel av enheter med ultralåg effektförbrukning, för att skapa trådlösa motionshörlurar på ett effektivare sätt. Del 1 handlade om biometrisk mätning av puls och perifer syremättnad (SpO)₂. Del 2 handlade om ljudbehandling. Här i del 3 diskuteras lösningar på krafthantering och trådlös laddning för konstruktioner inom motionshörlurar.

Effektoptimering har blivit ett grundläggande krav i de flesta segment, men motionshörlurar medför unika problem utöver dem som finns i konventionella trådlösa hörlurar. De senare använder Bluetooth för att strömma ljud, men har en trådanslutning till ett batteri som typiskt sett är inkapslat tillsammans med volymreglage och ett strömkontaktdon i ett paket på kabeln. Helt trådlösa konstruktioner eliminerar alla trådbundna anslutningar, vilket kräver att produktkonstruktörerna bygger in laddningsbara batterier i varje öronsnäcka.

Som en följd av detta måste systemkonstruktörerna hitta designlösningar som uppfyller de strikta utrymmeskraven samtidigt som både lång batterilängd och enkel laddning måste säkerställas för användarna.

Den här artikeln diskuterar effektiva metoder för att utöka batterilivslängden och förenkla batteriladdningen samtidigt som flera spänningsnivåer erbjuds för de biosensorer, ljud- och processorenheter som ingår i dessa konstruktioner. Därefter beskrivs kort hur trådlös laddning fungerar, följt av en presentation av standardbaserade trådlösa kraftlösningar som utvecklarna kan använda för att snabbt implementera avancerade helt trådlösa produkter som drar full nytta av ett snabbt växande utbud av kompatibla laddningsplattformar från tredjepartstillverkare. Lösningar från återförsäljare som Maxim Integrated, Analog Devices, STMicroelectronics och Texas Instruments presenteras.

Strömhantering i motionshörlurar

Som diskuterats i de två första artiklarna i den här serien kan ingenjörerna utnyttja SoC-baserade biosensor-, ljud- och Bluetooth-enheter med ultralåg effekt för att minimera strömförbrukningen och öka batterilivslängden (figur 1).

Figur 1: För helt trådlösa motionshörlurar utgör högintegrerade PMIC:er (power management integrated circuits) och integrerade bränslemätarkretsar grunden i batteri- och strömhanteringen, vilket kräver endast en trådlös strömkälla för batteriladdning. (Bildkälla: DigiKey, baserat på källmaterial från Maxim Integrated)

Utöver sina omfattande funktioner har dessa SoC:er egna integrerade strömhanteringsfunktioner som omväxlande använder driftlägen med låg effekt, klock- eller spänningsgrindfunktioner, eller interna spänningsregulatorer för matning av olika effektdomäner från en enda strömkälla. Trots att dessa funktioner förenklar implementeringen av effektoptimerade konstruktioner innebär de ofta krav på flera matningsnivåer för att passa alla enheter. Till exempel medför de SoC:Er som diskuterats tidigare i den här serien (Maxim Integrateds biosensor MAXM86161; ljudcodec MAX98090 och ON Semiconductors RSL10 Bluetooth-microcontroller) presenterar olika försörjningskrav (tabell 1).

Tabell 1: Spänningsförsörjningsområden för de primära SoC:erna i en motionshörlurskonstruktion. (Tabellkälla: DigiKey, baserat på källmaterial från Maxim Integrated och ON Semiconductor)

Istället för en uppsättning enskilda spänningsregulatorer, erbjuder en PMIC med flera nivåer, som Maxim Integrateds MAX77654, en enklare enkretslösning. MAX77654 är särskilt utformad för platsbegränsade lågeffekttillämpningar som hörlurar och erbjuder tre spänningsregulatorutgångar av buck-boost-typ och två strömsnåla (LDO) regulatorer i en enhet på 2,79 mm x 2,34 mm med låg driftström på 6 mA och avstängningsström på 0,3 μA. Utvecklare kan programmera MAX77654:s tre buck-boost-regulatorer enskilt i steg om 50 millivolt (mV) för att leverera reglerad utmatning från 0,8 till 5,5 volt. På liknande vis kan de två LDO-regulatorutgångarna programmeras i steg om 25 mV för att ge utsignaler från 0,8 till 3,975 volt.

Enheten bygger på en buck-boost-regulator av SIMO-typ (single-inductor multiple-output) och hjälper till att reducera strukturlistan och fysisk storlek genom att den erbjuder en komplett strömhanteringslösning med endast några få extrakomponenter (figur 2).

Figur 2: Maxim Integrated MAX77654 PMIC förenklar utvecklingen genom att den erbjuder flera programmerbara spänningsnivåer med två LDO:er och tre buck-boost-regulatorer som endast kräver en induktor, tack vare enhetens SIMO-teknik. (Bildkälla: Maxim Integrated)

I ett komplett system hanterar MAX77654:s på-av-styrenhet och strömsekvenserare de interna strömstatusövergångarna och tiden som krävs för att aktivera (eller stänga av) matningsnivåerna enligt den specifika sekvensen som krävs för tillämpningen. I exempelvis en motionshörlurstillämpning kan utvecklarna programmera enheten för att tillföra ström i sekvens till enskilda SoC:er och subsystem för att minska toppströmefterfrågan eller undvika ljudartefakter.

Batterihantering

Utöver funktionerna för systemströmhantering innehåller MAX77654 en komplett laddare för litiumjonbatterier som erbjuder en programmerbar konstant laddningsström på 95 till 475 mA från ett stort antal källor inklusive USB. Maxims Smart Power Selector-teknik kopplar automatiskt strömmen från den ingående strömkällan (CHGIN) till batteriet (BATT) och systemet (SYS) efter behov. När laddningen har slutförts kopplar Smart Power Selector automatiskt bort batteriet från den ingående källan.

MAX77654 erbjuder en stor uppsättning statusregister som gör det möjligt för utvecklarna att övervaka och styra alla aspekter av enhetens funktioner. Genom att ställa in interruptkontrollregister kan utvecklarna programmera enheten att varna värdprocessorn om ett stort urval av driftförhållanden och fel, inklusive över- och underspänning i systemet, temperatur, laddnings- och batterifel.

I en konsumentprodukt skulle utvecklarna typiskt sett kombinera PMIC med en batteribränslemätarkrets som Maxim Integrated MAX17260. MAX17260 förbrukar endast 5,1 mA och använder Maxims prognosalgoritm ModelGauge m5 för batteriålder för att erbjuda dynamiska beräkningar av återstående batterilivslängd under drift och av laddningens sluttid under laddning. Utvecklarna kan programmera enheten att generera ett interrupt till värdprocessorn när den återstående laddningen sjunker under en angiven tröskel under drift. I motionshörlurar kan utvecklarna använda den här funktionen för att försvaga tillämpningsfunktioner gradvis genom strategier som att minska pulsuppdateringstiderna från biosensorn eller minska ljudets bandbredd och slutligen meddela användaren innan strömmen sjunker under hållbara nivåer.

Trådlös laddning

Kombinationen av MAX77654 PMIC och bränslemätarkretser MAX17260 ger en effektiv lösning för batterihantering. Att tillhandahålla en lämplig laddningskälla är den stora återstående utmaningen i att skapa helt trådlösa motionshörlurar. Per definition kan den källan inte utnyttja konventionella trådbundna metoder med ledningsbundna strömadaptrar eller USB. För detta är tillgängligheten till trådlös kraftteknik och förknippade kisellösninger en smidig lösning.

Praktiska trådlösa kraftmetoder utnyttjar tätkopplad induktion mellan en primär och en sekundär trådspole eller löst kopplad resonant induktion mellan ett par spolar som arbetar med samma resonanta frekvens (se "Induktiv jämfört med resonant trådlös laddning".)

Induktiv trådlös laddning har använts i många år för att ladda konsumentprodukter som elektriska tandborstar eller medicinska hjälpmedel som hörapparater och har uppnått en mogenhetsnivå och enhetsstöd som gör det till ett säkert val för även de mest avancerade elektroniska produkterna. Det innebär att utvecklarna i princip kan implementera trådlösa strömladdare med bara en trådlös litiumjonladdare, som Analog Devices LTC4124, som strömmatas från en spole som är induktionskopplad till en sändarspole som drivs av en Analog Devices LTC6990 spänningsstyrd oscillator (VCO). Tillsammans med LTC4124-mottagaren och LTC6990 VCO kräver den kompletta trådlösa strömförsörjningsdesignen endast en MOSFET, några få passiva komponenter och ett par spolar som Würth Elektroniks sändarspole (RX) 760308101216 på 7,2 microhenry (µH) och Würth Elektroniks 760308103206 sändarspole (TX) på 7,5 µH (figur 3).

Figur 3: Med Analog Devices LTC4124 trådlösa effektmottagare och Analog Devices LTC6990 spänningsstyrda oscillator kan utvecklarna implementera en komplett egenutvecklad trådlös strömförsörjning med endast några få ytterligare komponenter. (Bildkälla: Analog Devices)

Trots att tidigare trådlösa strömösningar innebär enkla konstruktioner har de blivit mindre lämpliga för konsumentprodukter eftersom användarna snabbt har vant sig vid trådlösa strömstandardlösningar baserade på Wireless Power Consortiums (WPC) Qi-specifikationer (se, "Qi-kompatibel trådlös laddning".) Sådana enkla konstruktioner, som exemplet ovan, är utformade för egenutvecklade trådlösa produkter och deras förknippade laddningsbaser och saknar viktiga funktioner som kommunikation mellan mottagare och sändare, avkänning av främmande föremål (FOD) och andra krav som tas upp i WPC Qi-specifikationerna.

Förutom att det möjliggör en mer sofistikerad trådlös laddningsprocess har det snabba omfamnandet av Qi-kompatibel trådlös kraft lett till uppkomsten av billiga, trådlösa strömöverföringsplattformar. Det innebär att utvecklare av konsumentprodukter som motionshörlurar som kräver en trådlös strömkälla kan fokusera på att utveckla kompatibla trådlösa effektmottagare och förvänta sig att potentiella användare redan har (och föredrar att använda) allmänt tillgängliga trådlösa laddningsplattor.

Praktiska begränsningar

Att utnyttja allmänt tillgängliga trådlösa laddningsprodukter kräver dock ett betydligt annorlunda konstruktionsperspektiv. Som en grov beräkning kräver effektiv kopplings- och strömöverföring välmatchade sändar- och mottagarspolar av liknande storlek och med ett ensiffrigt förhållande mellan sekundär och primär spolinduktans. Att använda en spole med den mycket lilla diameter som krävs för att den ska passa i motionshörlurar skulle därför komplicera konstruktionen av ett trådlöst kraftsystem som kan uppfylla användarnas förväntningar på snabba laddningstider. Dessutom skulle de mycket snäva toleranserna för inriktning och placering mellan spolarna kräva en produktdesign som skulle använda ett anpassat hölje eller en annan upphängningsanordning för att konsekvent placera öronsnäckan nära en laddningsspole.

På grund av dessa många utmaningar används typiskt sett en mer praktisk metod för helt trådlösa produkter där en Qi-kompatibel trådlös mottagare byggs in i öronsnäckans hölje. När öronsnäckorna placeras i höljet möter inbyggda stift i varje öronsnäcka strömkontakter som är inbyggda i höljets botten. När sedan höljet placeras på en kompatibel laddningsplatta från tredje part flödar ström trådlöst från plattan till mottagaren i höljet och därifrån genom kontaktpunkterna till öronsnäckorna. Med den här metoden blir implementeringen av trådlös laddning för motionshörlurar ett mycket mer hanterligt problem som stöds av en bred uppsättning av Qi-kompatibla trådlösa strömmottagare.

Trådlösa mottagarlösningar

Lyckligtvis kan utvecklarna hitta ett stort urval av trådlösa strömmottagare som är särskilt utformade för att stödja WPC Qi-standarderna. De tillgängliga enheterna sträcker sig långt bortom minimikraven för stöd av trådlös standardeffektöverföring och har funktioner som är utformade för att förenkla den övergripande systemkonstruktionen. Som många enheter i den här klassen har STMicroelectronics STWLC03 trådlösa strömmottagare stöd för en enkel metod för inaktivering av trådlös laddning för konstruktioner som gör det möjligt för användarna att mata ström till laddningshöljet genom en extern strömadapter eller en USB-anslutning (figur 4).

Figur 4: Som andra enheter i den här klassen ger STMicroelectronics trådlösa strömmottagare STWLC03 ett smidigt alternativ för inaktivering av trådlös effektöverföring när en extern strömkälla känns av. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Många Qi-kompatibla trådlösa effektmottagare har även batteriladdningsfunktioner så att utvecklarna kan lägga till batterier till höljet för reservström när trådlös laddning inte är tillgängligt eller praktiskt. Till exempel har Texas Instruments BQ51050B stöd för en laddningssekvens i tre steg inklusive förladdning, snabbladdning med konstant ström och konstant spänning med endast en enkel anslutning till ett batteripaket (figur 5).

Figur 5: Texas Instruments BQ51050B trådlösa strömmottagare kan ge stöd för laddning av batteripaket med minimal ytterligare utvecklingsansträngning. (Bildkälla: Texas Instruments)

Utöver stöd för extern strömförsörjning och batteriladdning har Qi-kompatibla trådlösa strömmottagare även stöd för kommande peer-to-peer-baserade trådlösa laddningsscenarion som bygger på en mobil produkt som en smarttelefon för att ladda en annan produkt trådlöst. Till exempel kombinerar Maxim Integrateds MAX77950 stöd för befintlig trådlös strömanvändning med stöd för peer-to-peer-laddning som kräver minimal ytterligare utvecklingsansträngning (figur 6).

Figur 6: Maxim Integrated MAX77950 trådlös strömmottagare har stöd för mer konventionella trådlösa laddningskonfigurationer, men även peer-to-peer-baserad trådlös strömöverföring. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Utvecklingsstöd för trådlös strömförsörjning

Trots den ständiga utvecklingen av trådlösa strömfunktioner och förknippade produkter kan utvecklarna hitta ett stort utbud av utvecklingsstödresurser, såsom utvecklingskort, konstruktionsguider och tillämpningsdokumentation. Exempel finns för alla de trådlösa strömenheter som nämns i den här artikeln en tillhörande utvecklingssats.

För den trådlösa strömmottagaren LTC4124 erbjuder Analog Devices en serie satser med både sändar- och mottagarkort för att demonstrera trådlös strömöverföring med ökande nivåer av mottagen laddningsström. Analog Devices satser DC2769A-A-KIT och DC2769A-B-KIT uppvisar laddningsström på 10 mA respektive 25 mA. Sändarkortet baseras i hög grad på LTC4124-konstruktionen som beskrivits tidigare (se figur 3) och använder en Analog Devices LTC6990 VCO medan mottagarkortet använder Analog Devices LTC4124 trådlösa mottagare. För att demonstrera högre laddningsström har Analog Devices DC2770A-A-KIT och DC2770A-B-KIT laddningsström på 50 mA respektive 100 mA med ett LTC4124-baserat mottagarkort, men sändarkorten i satserna bygger istället på Analog Devices LTC4125 trådlösa strömsändare.

För sina enheter erbjuder STMicroelectronics utvärderingskortet STEVAL-ISB036V1 för den trådlösa mottagaren STWLC03. Texas Instruments har utvärderingskortet BQ51050BEVM som utvecklingsstöd för den trådlösa strömmottagaren BQ51050B och Maxim Integrated erbjuder utvärderingssatsen MAX77950EVKIT för sin trådlösa strömmottagare MAX77950. Utöver maskinvara för utvärderingssatser erbjuder varje tillverkare en fullständig uppsättning konstruktionsresurser som typiskt sett innehåller strukturlista, schema och en fysisk konstruktionslayoutguide för utvecklare som bygger anpassade konstruktioner.

För programvaruutveckling är drivkretsar och utvärderingsprogramvara också normalt tillgängligt för hämtning eller på begäran. Till exempel tillåter Maxim Integrateds MAX77950-utvecklingssats med programvarupaket utvecklarna att övervaka och modifiera MAX77950-register och konfiguration via USB-anslutning från en Windows® 10-dator till MAX77950EVKIT, där en integrerad microcontroller uppdaterar MAX77950 via en delad I²C-buss (figur 7).

Figur 7: Maxim Integrateds utvecklingssats MAX77950 med programvarupaket och förknippad dokumentation hjälper utvecklarna genom olika MAX77950-enhetsinställningar för att utforska effekten av olika enhetskonfigurationer på trådlös effektprestanda. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Slutsats

Att konstruera helt trådlösa motionshörlurar ställer konstruktörerna inför utmaningar med att implementera allt effektivare system samtidigt som det även uppmuntrar användningen av avancerad trådlös laddningsteknik. Som visats innebär högintegrerade PMIC:er och bränslemätarkretsar en effektiv lösning för ström- och batterihantering. När det gäller trådlös strömförsörjning erbjuder tillgången till trådlösa standardprodukter utvecklarna flera alternativ för att implementera trådlösa laddningsfunktioner i motionshörlursprodukter. Med dessa standardlösningar kan utvecklarna snabbt implementera avancerade helt trådlösa produkter som drar full nytta av ett snabbt växande utbud av kompatibla laddningsplattformar från tredjepartstillverkare.