Een echt draadloze fitness-hearable maken, deel 3: draadloos energiebeheer

Opmerking van de redactie: Hoewel fitness-hearables veel potentieel hebben, vormen ze aanzienlijke ontwerpuitdagingen op drie belangrijke gebieden: biometrie, audioverwerking en draadloos opladen. In deze reeks van drie artikelen wordt elk van deze uitdagingen besproken. Daarnaast wordt ontwikkelaars getoond hoe ze gebruik kunnen maken van componenten met bijzonder laag energieverbruik om effectieve fitness-hearables te ontwerpen. In deel 1 werd biometrie van de hartslag en SpO₂ besproken. In deel 2 keken we naar audioverwerking. Hier in deel 3 worden oplossingen voor energiebeheer en draadloos opladen voor fitness-hearables besproken.

Het optimaliseren van het energieverbruik is een fundamentele eis geworden voor de meeste toepassingsgebieden, maar voor fitness-hearables gelden bijzondere eisen die strenger zijn dan voor conventionele 'draadloze' oordopjes. Die laatste maken gebruik van een Bluetooth-verbinding voor het streamen van audio maar hebben nog altijd een bedrade verbinding met een batterij die meestal, samen met de volumeregelaar en de voedingsconnector, in het snoer zijn opgenomen. Bij echt draadloze ontwerpen is daarentegen in het geheel geen bedrade verbinding aanwezig, zodat zulke producten oplaadbare accu's in elk oordopje moeten hebben.

Daarom moeten de ontwerpers oplossingen vinden om aan de eisen van een lichte behuizing te voldoen en tegelijkertijd ervoor zorgen dat de accu's lang meegaan en eenvoudig kunnen worden opgeladen.

In dit artikel worden efficiënte methodes besproken waarmee de accu lang meegaat en eenvoudig kan worden opgeladen en tegelijkertijd meerdere verbindingen worden gemaakt voor de componenten voor biometing, audio en signaalverwerking. Vervolgens wordt kort besproken hoe draadloos opladen werkt. Daarna worden draadloze voedingen op basis van standaards geïntroduceerd die ontwikkelaars kunnen gebruiken om snel geavanceerde echt draadloze producten te implementeren waarbij ze ten volste gebruik kunnen maken van het snel groeiende aanbod van compatibele oplaadplatforms van externe leveranciers. We introduceren oplossingen van leveranciers als Maxim Integrated, Analog Devices, STMicroelectronics en Texas Instruments.

Energiebeheer in fitness-hearables

Zoals in de eerste twee artikelen uit deze serie is besproken, kunnen ontwerpers system-on-chip (SoC) biosensoren met uiterst laag energieverbruik en Bluetooth toepassen om het energieverbruik te minimaliseren en de batterij langer te laten meegaan (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Sterk geïntegreerde voedings-IC's (PMIC's) en IC's voor energiebeheer vormen bij echt draadloze fitness-hearables de basis voor accu- en energiebeheer waarbij alleen een draadloze energiebron nodig is om de accu op te laden. (Afbeelding: DigiKey, gebaseerd op materiaal van Maxim Integrated)

Dergelijke SoC's hebben niet alleen veel functionaliteit, maar ze beschikken ook over eigen energiebeheerfuncties voor modi met laag energieverbruik, mogelijkheden om de klok of de voeding tijdelijk aan en uit te zetten of interne spanningsregelaars om verschillende voedingsdomeinen vanuit één energiebron te voeden. Hoewel dergelijke features het implementeren van energiezuinige ontwerpen gemakkelijker maken, vergen ze vaak wel meerdere voedingsaansluitingen voor de verschillende componenten. Zo hebben de eerder in deze serie beschreven SoC's (de Maxim Integrated MAXM86161 biosensor en MAX98090 audio codec en de ON Semiconductor RSL10 Bluetooth microcontroller) verschillende voedingen nodig (Tabel 1).

Tabel 1: Voedingsbereiken voor de belangrijkste SoC's in een fitness-hearable. (Tabel: DigiKey, gebaseerd op materiaal van Maxim Integrated en ON Semiconductor)

Een PMIC met meerdere voedingsleidingen als de MAX77654 van Maxim Integrated biedt een eenvoudigere oplossing op één chip dan verschillende spanningsregelaars. De MAX77654 is speciaal ontwikkeld voor toepassingen met laag energieverbruik in een uiterst kleine behuizing zoals hearables en levert drie buck-boost geschakelde spanningsregelaars en twee spanningsregelaars met low-dropout (LDO) in een behuizing van 2,79 x 2,34 millimeter (mm) met een lage stroomsterkte van 6 microampère (μA) tijdens bedrijf en 0,3 μA in stand-by. Ontwikkelaars kunnen de drie buck-boost spanningsregelaars in de MAX77654 individueel programmeren in stapjes van 50 millivolt (mV) voor geregelde uitgangsspanningen van 0,8 tot 5,5 volt. Op dezelfde manier kunnen de twee LDO-spanningsregelaars in stapjes van 25 mV worden geprogrammeerd voor uitgangsspanningen van 0,8 tot 3,975 volt.

Deze component op basis van een buck-boost spanningsregelaar met enkele inductor en meerdere uitgangen (SIMO) vormt een complete energiebeheeroplossing met een minimaal aantal externe componenten en een kleinere voetafdruk (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Met de MAX77654 PMIC van Maxim Integrated wordt de ontwikkeling vereenvoudigd doordat hij meerdere programmeerbare voedingsleidingen met twee LDO's en drie buck-boost spanningsregelaars heeft, met, dankzij de gebruikte SIMO-technologie, slechts één inductor. (Afbeelding: Maxim Integrated)

In een compleet systeem zorgen de aan/uitregelaar en de voedingssequencer van de MAX77654 voor de interne energieovergangen en de timing die nodig zijn om de voedingslijnen aan (of uit) te zetten in de voor door de toepassing vereiste volgorde. Zo kunnen in het ontwerp van een fitness-hearable de ontwikkelaars het apparaat zodanig programmeren dat achtereenvolgens de individuele SoC's en subsystemen worden aangezet om piekstromen te beperken of het geluid te laten vervormen.

Accubeheer

De MAX77654 kan niet alleen de energie in het systeem regelen, maar bevat tevens een geïntegreerde oplader voor een lithium-ion accu die met een programmeerbare constante stroomsterkte van 95 tot 475 milliampère (mA) oplaadt vanaf verschillende bronnen, bijvoorbeeld een USB-aansluiting. De Smart Power Selector-technologie van Maxim schakelt naar behoefte automatisch van de ingangsspanning (CHGIN) naar de accu (BATT) en het systeem (SYS). Alls de accu volledig is opgeladen, dan koppelt de Smart Power Selector de accu automatisch van de ingangsspanning los.

De MAX77654 heeft een uitgebreide set statusregisters waarmee ontwikkelaars elk aspect van de werking van het apparaat kunnen bewaken en regelen. Door interrupt control registers te zetten kunnen ontwikkelaars het apparaat zo programmeren dat de host processor bij allerlei condities en fouten wordt gewaarschuwd, zoals te hoge of te lage voedingsspanning of temperatuur, fouten tijdens het laden en defecten aan de accu.

Bij een consumentenproduct combineren ontwikkelaars de PMIC vaak met een IC om de ladingstoestand van de accu uit te lezen, zoals de MAX17260 van Maxim Integrated. De MAX17260 trekt niet meer dan 5,1 mA en gebruikt het Maxim ModelGauge m5 algoritme om een schatting voor de resterende levensduur van de accu tijdens verwerking en de resterende tijd tot volle lading te bepalen. Ontwikkelaars kunnen het apparaat zo programmeren dat de host processor een interrupt krijgt als de resterende lading van de accu tijdens bedrijf onder een opgegeven drempelwaarde komt. Ontwikkelaars kunnen in een fitness-hearable deze feature gebruiken om de toepassing geleidelijk af te bouwen, bijvoorbeeld door minder vaak de hartslag te meten of de bandbreedte van het audiosignaal te beperken en uiteindelijk de gebruiker te waarschuwen als de resterende lading te laag is om zinvol door te gaan.

Draadloos opladen

De combinatie van de MAX77654 PMIC en de MAX17260 IC om de ladingstoestand te bewaken vormen een effectieve oplossing voor accubeheer. Een geschikte oplaadmogelijkheid blijft als laatste grote uitdaging over om een echt draadloze fitness-hearable te maken. Per definitie kan hierbij geen gebruik worden gemaakt van conventionele bedrade oplossingen met een netvoeding of een USB-aansluiting. Hiervoor biedt de beschikbaarheid van draadloze voedingen en bijbehorende geïntegreerde schakelingen een kant-en-klare oplossing.

Praktische draadloze voedingen maken gebruik van nauw gekoppelde inductie tussen een primaire en een secundaire draadlus of los gekoppelde resonante inductie tussen een paar spoelen op dezelfde resonantiefrequentie (zie "Inductive Versus Resonant Wireless Charging.")

Inductief draadloos opladen is al jaren lang in gebruik om consumentenproducten op te laden zoals tandenborstels of medische producten als hoortoestellen, en is inmiddels een volwassen technologie met voldoende technologische ondersteuning dat dit een veilige keuze is voor zelfs de meest geavanceerde elektronische producten. Ontwikkelaars kunnen dan ook draadloze opladers implementeren met niet veel meer dan een LTC4124 draadloze Li-ion oplader van Analog Devices die zijn energie ontvangt van een inductief gekoppelde spoel onder besturing van een LTC6990 spanningsgeregelde oscillator (VCO) van Analog Devices. Naast de LTC4124 ontvanger en de LTC6990 VCO zijn voor de complete draadloze voeding alleen een MOSFET, enkele passieve componenten en een paar spoelen zoals de 760308101216 7,2 microhenry (µH) ontvangspoel (RX) en de 760308103206 7,5 µH zendspoel (TX), beide van Würth Elektronik, nodig (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Ontwikkelaars kunnen met de Analog Devices LTC4124 draadloze ontvanger en de Analog Devices LTC6990 spanningsgeregelde oscillator een complete draadloze voeding implementeren met maar een handvol extra componenten. (Afbeelding: Analog Devices)

Hoewel eerdere draadloze voedingen simpel waren, zijn ze minder geschikt voor consumentenproducten omdat de klanten inmiddels aan standaard draadloze voedingen volgens de Qi-specificaties van het Wireless Power Consortium (WPC) gewend zijn geraakt (zie "Qi Compliant Wireless Charging.") Eenvoudige ontwerpen zoals hierboven getoond, bedoeld voor speciale draadloze producten en het bijbehorende oplaadstation, missen belangrijke eigenschappen als communicatie tissen de ontvanger en de zender, detectie van vreemde voorwerpen (FOD) en andere specificaties volgens de WPC Qi-specificaties.

De snelle acceptatie van Qi-compatibele draadloze voedingen heeft niet alleen tot een geavanceerder draadloos oplaadproces geleid, maar ook tot meer goedkope zenderplatforms voor draadloos opladen. Ontwikkelaars van consumentenproducten als fitness-hearables die draadloos moeten worden opgeladen, kunnen zich daarom vooral toeleggen op het ontwerpen van een compatibele draadloze ontvanger in de verwachting dat mogelijke gebruikers al over bestaande draadloze oplaadstation beschikken (en daar de voorkeur aan geven).

Praktische beperkingen

Er moet wel een fundamenteel andere ontwerpbenadering worden gekozen om optimaal van algemeen beschikbare draadloze oplaadstations gebruik te maken. In eerste benadering zijn voor een efficiënte koppeling van zender en ontvanger goed op elkaar afgestemde zend- en ontvangstspoelen van ongeveer dezelfde grootte nodig, waarbij de inductantie van de secundaire spoel meestal maar weinig groter is dan van de primaire spoel. De uiterst kleine diameter van de spoel in een fitness-hearable maakt daarom het ontwerp van een draadloze voeding complex als de korte oplaadtijden die de gebruiker verwacht, moeten worden gerealiseerd. De strenge toleranties voor het uitlijnen en de plaatsing van de spoelen vereisen bovendien een ontwerp met een aangepaste houder of andere bevestigingsmethode om het oordopje altijd dichtbij de zendspoel te plaatsen.

Dergelijke uitdagingen zorgen ervoor dat bij echt draadloze oordopjes meestal voor een meer praktische aanpak wordt gekozen, waarbij een Qi-compatibele ontvanger in de houder van de oordopjes wordt geplaatst. Als de oordopjes in de houder worden geplaatst, dan maken in de oordopjes ingebouwde pennetjes contact met onderin de houder aanwezige voedingscontacten. Als de houder vervolgens op een compatibel draadloos oplaadstation van een externe leverancier wordt geplaatst, dan wordt de energie draadloos naar de ontvanger in de houder overgedragen en vervolgens via de contacten naar de oordopjes. Bij deze aanpak is het implementeren van draadloos opladen voor fitness-hearables veel meer een standaard probleem geworden met gebruik van een van de vele Qi-compatibele ontvangers voor draadloze voeding.

Draadloze ontvangers

Ontwikkelaars hebben gelukkig de beschikking over een groot aantal ontvangers voor draadloze voeding die de WPC Qi-standaards ondersteunen. De beschikbare apparaten gaan in feite verder dan de minimale vereisten voor standaard draadloze voeding en beschikken over features om het algehele systeemontwerp te vereenvoudigen. De STWLC03 ontvanger voor draadloze voeding van STMicroelectronics heeft, net als veel andere soortgelijke apparaten, een eenvoudige aanpak voor het uitschakelen van de draadloze voeding als er ook een externe voedingsadapter of USB-poort voor de voeding aanwezig is (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Net als bij andere soortgelijke apparaten heeft de STWLC03 ontvanger voor draadloze voeding van STMicroelectronics een eenvoudige optie om de draadloze energieoverdracht te beëindigen als een externe voedingsbron wordt gedetecteerd. (Afbeelding: STMicroelectronics)

Veel Qi-compatibele ontvangers voor draadloze voeding beschikken ook over geïntegreerde acculaders, zodat ontwikkelaars accu's in de houder als back-up kunnen plaatsen als draadloos opladen niet mogelijk of niet gewenst is. Zo ondersteunt de BQ51050B van Texas Instruments een drietraps laadprocedure met voorladen, snel laden met constante stroomsterkte en constante spanning, met slechts een eenvoudige verbinding met een accupakket (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De BQ51050B ontvanger voor draadloze voeding van Texas Instruments kan, met minimale inspanning van de ontwikkelaar, een accupakket opladen. (Afbeelding: Texas Instruments)

Qi-compatibele ontvangers voor draadloze voeding hebben niet alleen ondersteuning voor externe stroombronnen en het opladen door accu's, maar ze kunnen ook draadloos opladen tussen apparaten onderling ondersteunen waarbij het ene mobiele product, bijvoorbeeld een smartphone, een ander product oplaadt. Zo ondersteunt de MAX77950 van Maxim Integrated niet alleen het huidige draadloze opladen, maar ook opladen via andere apparaten, en dat met minimale inspanning van de ontwikkelaar (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De MAX77950 ontvanger voor draadloze voeding van Maxim Integrated ondersteunt naast conventionele draadloze voeding, ook energieoverdracht tussen apparaten onderling. (Afbeelding: Maxim Integrated)

Ondersteuning voor het ontwerpen van draadloze voedingen

Ondanks de voortdurende doorontwikkeling van draadloze functies en bijbehorende apparaten kunnen ontwikkelaars een steeds groeiend aantal hulpmiddelen voor het ontwerp vinden zoals ontwikkelboards, ontwerphandleidingen en toepassingstips. Zo is voor elk van de in dit artikel genoemde apparaten voor draadloze voeding een bijbehorende ontwikkelkit beschikbaar.

Analog Devices levert voor zijn LTC4124 ontvanger voor draadloze voeding een serie kits met zowel zend- als ontvangstboards om draadloze energieoverdracht te demonstreren bij hogere oplaadstromen. De kits DC2769A-A-KIT en DC2769A-B-KIT van Analog Devices ondersteunen oplaadstromen van respectievelijk 10 en 25 mA. Het zendboard is in principe op het eerder besproken LTC4124 ontwerp gebaseerd (zie Afbeelding 3) en bevat een LTC6990 VCO van Analog Devices, het ontvangstboard beschikt over een LTC4124 draadloze ontvanger van Analog Devices Voor hogere stroomsterktes zijn er de DC2770A-A-KIT en DC2770A-B-KIT van Analog Devices voor oplaadstromen van respectievelijk 50 en 100 mA, met een ontvangstboard op basis van een LTC4124, maar de zendboards in deze kits zijn daarentegen op de LTC4125 zender van Analog Devices gebaseerd.

STMicroelectronics levert voor zijn apparaten het STEVAL-ISB036V1 evaluatieboard voor de STWLC03 draadloze ontvanger, Texas Instruments levert het BQ51050BEVM evaluatieboard als ondersteuning voor het ontwikkelen met de BQ51050B ontvanger en Maxim Integrated levert de MAX77950EVKIT evaluatiekit voor zijn MAX77950 draadloze ontvanger. Elke fabrikant levert bij diens fysieke evaluatiekit een stel hulpmiddelen voor ontwerp, meestal bestaande uit een componentenlijst, een schema en richtlijnen voor de fysieke lay-out van de zelf ontworpen systemen.

Meestal zijn er voor softwareontwikkeling bovendien stuurprogramma's en evaluatiesoftware beschikbaar die op aanvraag kunnen worden gedownload. Met het pakket met de MAX77950 Evaluation Kit Software van Maxim Integrated kunnen ontwikkelaars de registers en configuratie van de MAX77950 bekijken en aanpassen. Hiervoor is een USB-verbinding tussen een Windows® 10-computer en de MAX77950EVKIT benodigd, waar een geïntegreerde microcontroller de MAX77950 over een gedeelde I²C bus bijwerkt (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Het MAX77950 Evaluation Kit softwarepakket van Maxim Integrated met bijbehorende documentatie helpt de ontwikkelaars bij de verschillende instellingen van de MAX77950 om het effect van verschillende configuraties op de draadloze voeding te beoordelen. (Afbeelding: Maxim Integrated)

Conclusie

Ontwerpen voor echt draadloze fitness-hearables stellen ontwerpers voor uitdagingen om steeds efficiëntere ontwerpen te maken en zet ze ertoe aan geavanceerde technologie voor draadloze energieoverdracht te gebruiken. We hebben laten zien dat sterk geïntegreerde PMIC's en IC's voor energiebeheer een effectieve oplossing bieden voor energie- en accubeheer. De beschikbaarheid van apparaten voor draadloos opladen op basis van standaards biedt ontwikkelaars verschillende opties om draadloos opladen in fitness-hearables in te bouwen. Ontwikkelaars kunnen deze standaard oplossingen gebruiken om snel geavanceerde echt draadloze producten te implementeren waarbij ze ten volste gebruik kunnen maken van het snel groeiende aanbod van compatibele oplaadplatforms van externe leveranciers.