Entwicklung von echten Wireless-Fitness-Hearables – Teil 3: Drahtloses Energiemanagement

Anmerkung des Herausgebers: Ungeachtet ihres enormen Potenzials sind Fitness-Hearables für Entwickler mit erheblichen Herausforderungen in drei Hauptbereichen verknüpft: Biomessung, Audioverarbeitung und drahtloses Laden. Diese Serie aus drei Artikeln befasst sich nacheinander mit jeder dieser Herausforderungen. Sie soll Entwicklern vor Augen führen, wie sich unter Verwendung von extrem energieeffizienten Komponenten effiziente Fitness-Hearables aufbauen lassen. In Teil 1 ging es um die Biomessung von Herzfrequenz- und SpO₂-Werten. Teil 2 befasste sich mit der Audioverarbeitung. Der vorliegende Teil 3 behandelt Lösungen für das Energiemanagement und das drahtlose Laden für Fitness-Hearables.

Die Leistungsoptimierung hat sich in den meisten Anwendungssegmenten zu einer grundlegenden Anforderung entwickelt. Allerdings bringen Fitness-Hearables einzigartige Probleme mit sich, die sogar über die von herkömmlichen drahtlosen Ohrhörern hinausgehen. Letztere verwenden eine Bluetooth-Verbindung für Audio-Streaming, weisen jedoch weiterhin eine Kabelverbindung zu einer Batterie auf, die sich üblicherweise zusammen mit der Lautstärkeregelung und einem Netzstecker in einem Inline-Gehäuse befindet. Echte drahtlose Designs hingegen kommen völlig ohne Kabelverbindungen aus, weswegen Produktentwickler wiederaufladbare Batterien in jeden Ohrhörer integrieren müssen.

Die Systementwickler müssen daher Designlösungen finden, die den knappen Gehäuseanforderungen genügen und die den Benutzern zusätzlich sowohl eine verlängerte Batterielebensdauer bieten als auch das einfache Wiederaufladen der Batterie ermöglichen.

Dieser Artikel behandelt effiziente Ansätze zur Verlängerung der Batterielebensdauer sowie zur Vereinfachung des Aufladevorgangs bei gleichzeitiger Bereitstellung mehrerer Versorgungsschienen für die Biosensor-, Audio, und Prozessorkomponenten, die diesen Designs zugrundeliegen. Anschließend beschreibt er in Kürze die Funktionsweise des drahtlosen Ladens, bevor er auf standardbasierte Lösungen zur drahtlosen Energieübertragung eingeht. Diese können von den Entwicklern genutzt werden, um ohne großen Aufwand ausgefeilte echte Drahtlosprodukte zu implementieren, die das rasch zunehmende Angebot an kompatiblen Ladeplattformen von Drittanbietern vollumfänglich nutzen können. Vorgestellt werden Lösungen von Anbietern wie Maxim Integrated, Analog Devices, STMicroelectronics und Texas Instruments.

Energiemanagement in Fitness-Hearables

Wie in den ersten zwei Artikeln dieser Reihe bereits angesprochen, können Entwickler bei den benötigten Biosensor-, Audio- und Bluetooth-Komponenten auf SoC-Lösungen (System-on-Chip) mit extrem niedrigem Strombedarf zurückgreifen, um den Stromverbrauch zu minimieren und die Batterielebensdauer zu verlängern (Abbildung 1).

Abbildung 1: Für True Wireless Fitness-Hearables stellen hochintegrierte ICs für das Energiemanagement (PMICs, Power Management Integrated Circuits) und zur Ladezustandserfassung die Grundlage für das Batterie- und Energiemanagement dar. Sie benötigen lediglich eine drahtlose Spannungsquelle zum Aufladen der Batterie. (Bildquelle: DigiKey, basierend auf Quellenmaterial von Maxim Integrated)

Neben dem enormen Funktionsumfang integrieren diese SoCs ihre eigenen Energiemanagementfunktionen, die abwechselnd Energiesparmodi, Funktionen für Clock-Gating oder Spannungssteuerung oder interne Spannungsregler verwenden, um über eine einzige Spannungsquelle unterschiedliche Stromversorgungsbereiche bereitzustellen. Obwohl diese Funktionen zur Implementierung leistungsoptimierter Designs beitragen, erfordern sie häufig mehrere Stromschienen, die für die einzelnen Komponenten geeignet sind. So bringen etwa die in dieser Artikelreihe bereits angesprochenen SoCs (der Biosensor MAXM86161 sowie der Audio-Codec MAX98090 von Maxim Integrated und der Bluetooth-Mikrocontroller RSL10 von ON Semiconductor) verschiedene Versorgungsanforderungen mit sich (Tabelle 1).

Tabelle 1: Versorgungsspannungsbereiche für die primären SoCs im Design eines Fitness-Hearables (Quelle der Tabelle: DigiKey, basierend auf Quellenmaterial von Maxim Integrated und ON Semiconductor)

Anstatt einer Reihe einzelner Spannungsregler stellt ein PMIC mit mehreren Schienen, wie beispielsweise der MAX77654 von Maxim Integrated, eine einfachere Einzelchiplösung dar. Der speziell für räumlich begrenzte, energiesparende Anwendungen wie Hearables konzipierte MAX77654 bietet bei einem niedrigen Betriebsstrom von 6 Microampere (μA) und einem Abschaltstrom von 0,3 μA in einem 2,79 Millimeter (mm) x 2,34 mm großen Gehäuse drei Abwärts-Aufwärts-Schaltreglerausgänge sowie zwei LDO-Regler (Low-Dropout). Die drei Abwärts-Aufwärts-Schaltregler der MAX77654 können von den Entwicklern einzeln in Schritten von 50 Millivolt (mV) programmiert werden, um geregelte Ausgangsspannungen von 0,8 Volt bis 5,5 Volt bereitzustellen. Auf ähnliche Weise können die zwei LDO-Reglerausgänge in 25-mV-Schritten programmiert werden, um Ausgangsspannungen zwischen 0,8 Volt und 3,975 Volt zu erhalten.

Basierend auf einem Abwärts-Aufwärts-Regler mit einer einzelnen Induktivität und mehreren Ausgängen (SIMO, Single-Inductor Multiple-Output) trägt die Komponente zur Senkung der Systemkosten und zur Reduzierung des Design-Footprints bei, indem sie eine vollständige Energiemanagementlösung mit nur wenigen zusätzlichen Komponenten bereitstellt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der PMIC MAX77654 von Maxim Integrated vereinfacht die Entwicklung durch die Möglichkeit, mehrere programmierbare Spannungsschienen mit zwei LDOs und drei Abwärts-Aufwärts-Reglern zu versorgen, die dank der SIMO-Technologie der Komponente nur eine einzelne Induktivität erfordern. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Innerhalb eines vollständigen Systems verwalten der Ein-/Aus-Schalter und der Leistungssequenzierer der MAX77654 die internen Übergänge zwischen den Betriebsstatus und das Timing, um Stromschienen entsprechend der für die Anwendung erforderlichen spezifischen Sequenz zu aktivieren (oder zu deaktivieren). Für ein Fitness-Hearable beispielsweise könnten die Entwickler die Komponente so programmieren, dass sie die einzelnen SoCs und Subsysteme sequenziell mit Strom versorgt, um den Spitzenstrombedarf zu reduzieren und hörbare Artefakte zu vermeiden.

Batteriemanagement

Neben den Funktionen für das Energiemanagement des Systems integriert der MAX77654 ein vollwertiges Ladegerät für Lithium-Ionen-Batterien, das aus den verschiedensten Quellen – beispielsweise über USB – eine programmierbare, konstante Ladestromrate von 95 Milliampere (mA) bis 475 mA bereitstellt. Der Smart Power Selector von Maxim leitet den Strom von der Eingangsstromquelle (CHGIN) automatisch entweder zur Batterie (BATT) oder zum System (SYS), ganz nach Bedarf. Wenn der Ladevorgang abgeschlossen ist, trennt der Smart Power Selector die Batterie automatisch von der Eingangsquelle.

Der MAX77654 bietet zahlreiche Statusregister, die es den Entwicklern ermöglichen, jeden Aspekt des Komponentenbetriebs zu überwachen und zu steuern. Durch das Festlegen von Interrupt-Steuerregistern können die Entwickler die Komponente so programmieren, dass sie den Host-Prozessor über die verschiedensten Betriebsbedingungen und -störungen informiert. Hierbei kann es sich unter anderem um Über- und Unterspannungen, die Temperatur, Fehler beim Ladevorgang und Batteriestörungen handeln.

Für ein Verbraucherprodukt würden Entwickler den PMIC jedoch üblicherweise mit einem Batterieladungsmesser-IC, wie beispielsweise dem MAX17260 von Maxim Integrated, kombinieren. Der MAX17260, der nur 5,1 mA Strom zieht, verwendet den ModelGauge-m5-Algorithmus von Maxim zur Vorhersage des Batteriealters, um im Betrieb die verbleibende Batterielebensdauer bzw. während dem Aufladen die Ladedauer dynamisch zu schätzen. Entwickler können die Komponente so programmieren, dass sie einen Interrupt für den Host-Prozessor generiert, wenn die verbleibende Ladung im Betrieb unter einen festgelegten Schwellenwert fällt. In einem Fitness-Hearable könnten die Entwickler diese Funktion verwenden, um die Leistung der Anwendungsfunktionen kontrolliert zu verringern. So könnten sie beispielsweise die Aktualisierungsrate des Biosensors für die Herzfrequenz oder die Audio-Bandbreite verringern und den Benutzer letztendlich informieren, bevor die Leistung der Batterie zu schwach wird.

Drahtloses Laden

Die Kombination des PMIC MAX77654 und des Ladezustandserfassung-ICs MAX17260 stellt eine effektive Lösung für das Batteriemanagement dar. Die Bereitstellung einer geeigneten Ladequelle ist die letzte große Herausforderung bei der Entwicklung von echten Wireless-Fitness-Hearables. Per Definition kann diese Quelle keine herkömmlichen kabelgebundenen Ansätze wie Netzteile oder USB verwenden. Hierfür stellt die Verfügbarkeit drahtloser Energietechnologien und der zugehörigen Lösungen auf Siliziumbasis eine sofort einsetzbare Lösung dar.

Praktische Methoden zur drahtlosen Energieübertragung nutzen die feste magnetische Kopplung zwischen einer primären und einer sekundären Drahtspule oder die Resonanz zwischen einem lose gekoppelten Spulenpaar mit derselben Rensonanzfrequenz (siehe „Inductive Versus Resonant Wireless Charging“).

Die drahtlose Energieübertragung per Induktion kommt seit vielen Jahren beim Aufladen von Verbraucherprodukten wie elektrischen Zahnbürsten oder medizinischen Produkten wie Hörgeräten zum Einsatz. Der Reifegrad sowie der Grad der Geräteunterstützung, den sie inzwischen erreicht hat, machen sie selbst für anspruchsvollste elektronische Produkte zu einer sicheren Wahl. Somit benötigen Entwickler zur Implementierung drahtloser Ladegeräte im Prinzip nicht viel mehr als ein drahtloses Li-Ion-Ladegerät LTC4124 von Analog Devices, das über eine Spule mit Energie versorgt wird, die per Induktion mit einer Sendespule gekoppelt ist, die von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO, Voltage Controlled Oscillator) LTC6990 von Analog Devices angesteuert wird. Neben dem Empfänger LTC4124 und dem VCO LTC6990 erfordert die komplette drahtlose Spannungsversorgung lediglich einen MOSFET, einige wenige passive Komponenten und ein Spulenpaar, z. B von Würth Elektronik die Empfangsspule (RX) 760308101216 mit 7,2 Microhenry (µH) und, ebenfalls von Würth Elektronik, die Sendespule (TX) 760308103206 mit 7,5 µH (Abbildung 3).

Abbildung 3: Mit dem drahtlosen Energieempfänger LTC4124 und dem spannungsgesteuerten Oszillator LTC6990 von Analog Devices können Entwickler mit nur wenigen zusätzlichen Komponenten eine vollständige proprietäre drahtlose Spannungsversorgung implementieren. (Bildquelle: Analog Devices)

Obwohl sie einfache Designs ermöglichen, eignen sich frühere drahtlose Stromversorgungslösungen inzwischen weniger gut für Verbraucherprodukt, da die Anwender schnell zu standardmäßigen drahtlosen Lösungen gewechselt sind, die auf den Qi-Spezifikationen (siehe „Drahtloses Laden nach Qi-Standard“) des Wireless Power Consortium basieren. Solch einfachen Designs – wie etwa dem oben gezeigten –, die für proprietäre Drahtlosprodukte und ihre zugehörigen Ladestationen konzipiert sind, mangelt es an wichtigen Funktionen, wie beispielsweise der Kommunikation zwischen Empfänger und Sender, einer Fremdkörpererkennung (FOD, Foreign Object Detection) sowie weiteren Anforderungen gemäß Qi-Spezifikationen des WPC.

Neben einem ausgeklügelteren drahtlosen Ladevorgang hat die rasche Akzeptanz der Qi-kompatiblen drahtlosen Energieübertragung zu einem Anstieg an kostengünstigen drahtlosen Energieübertragungsplattformen geführt. Dadurch können sich die Entwickler von Verbraucherprodukten – wie beispielsweise Fitness-Hearables –, die eine drahtlose Spannungsquelle benötigen, weitgehend auf die Entwicklung eines kompatiblen drahtlosen Energieempfängers konzentrieren. Die potenziellen Benutzer müssen dann lediglich über handelsübliche drahtlose Ladepads verfügen (und diese auch bevorzugt verwenden).

Praktische Einschränkungen

Die Nutzung handelsüblicher drahtloser Ladeprodukte erfordert jedoch einen grundlegenden Perspektivenwechsel bei der Entwicklung. Gemäß einer groben Schätzung erfordert eine effiziente Kopplung und Energieübertragung gut aufeinander abgestimmte Sende- und Empfangsspulen von ähnlicher Größe und mit einem Verhältnis zwischen der Spuleninduktivität der Sekundär- und der Spuleninduktivität der Primärspule, das sich üblicherweise im einstelligen Bereich bewegt. Folglich würde die Verwendung einer Spule mit sehr kleinem Durchmesser, wie sie für ein Fitness-Hearable geeignet wäre, die Entwicklung eines drahtlosen Stromversorgungssystem verkomplizieren, das den Erwartungen der Benutzer hinsichtlich kurzer Ladezeiten gerecht werden könnte. Des Weiteren würden die sehr engen Toleranzen bei der Positionierung und der Ausrichtung der Spulen zueinander ein Produktdesign erfordern, bei dem die Spule im Ohrhörer durch die Verwendung eines maßgefertigten Ladeschale oder einer anderen Vorrichtung dauerhaft nahe genug an einer Ladespule platziert würde.

Aufgrund dieser zahlreichen Herausforderungen setzt man bei echten drahtlosen Ohrhörern üblicherweise auf einen praktischeren Ansatz, bei dem ein Qi-kompatibler Wireless-Empfänger in die Ladeschale des Ohrhörers integriert wird. Wenn die Ohrhörer in die Ladeschale gelegt werden, kommt es zu einem Kontakt zwischen den Pins in den Ohrhörern und den in die Ladeschale integrierten Stromkontakten. Wenn nun die Ladeschale auf einem kompatiblen drahtlosen Ladepad eines Drittanbieters platziert wird, wird Strom drahtlos vom Pad zum Empfänger in der Ladeschale übertragen und fließt von dort durch die Kontakte zu den Ohrhörern. Mit diesem Ansatz gestaltet sich die Implementierung einer drahtlosen Ladelösung für Fitness-Hearables sehr viel einfacher, da viele verschiedene Qi-kompatible Wireless-Stromempfänger zur Auswahl stehen.

Drahtlose Empfängerlösungen

Glücklicherweise können Entwickler aus einer Vielzahl von drahtlosen Stromempfängern wählen, die speziell für die Qi-Standards des WPC entwickelt wurden. In der Tat übertreffen die verfügbaren Komponenten die Mindestanforderungen zur Unterstützung der standardmäßigen drahtlosen Energieübertragung bei weitem und bieten Funktionen, die das Systemdesign insgesamt vereinfachen sollen. Wie viele andere Komponenten dieser Klasse auch unterstützt beispielsweise der drahtlose Stromempfänger STWLC03 von STMicroelectronics einen einfachen Ansatz zur Deaktivierung der drahtlosen Lademöglichkeit für Designs, die es dem Benutzer gestatten, die Ladeschale über einen externen Netzadapter oder eine USB-Verbindung mit Strom zu versorgen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Wie andere Komponenten dieser Klasse auch bietet der drahtlose Stromempfänger STWLC03 von STMicroelectronics eine einfache Option zur Deaktivierung der drahtlosen Energieübertragung, wenn eine externe Spannungsquelle erkannt wird. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Viele Qi-kompatible, drahtlose Stromempfänger bieten außerdem Batterieladefunktionen, sodass die Entwickler die Ladeschale mit einer Notstromversorgung über Batterien versehen können, falls ein drahtloses Laden nicht möglich oder unpraktisch ist. Beispielsweise unterstützt der BQ51050B von Texas Instruments über lediglich eine einfache Verbindung zu einem Batteriesatz eine dreistufige Ladesequenz, inklusive Vorladen, schnelles Aufladen über einen Konstantstrom und Aufladen über eine Konstantspannung (Abbildung 5).

Abbildung 5: Der drahtlose Stromempfänger BQ51050B von Texas Instruments unterstützt bei minimalem zusätzlichen Entwicklungsaufwand das Aufladen über einen Batteriesatz. (Bildquelle: Texas Instruments)

Neben externen Versorgungen und wiederaufladbaren Batterien unterstützen Qi-kompatible, drahtlose Stromempfänger neuartige drahtlose Peer-to-Peer-Ladeszenarien, die darauf basieren, dass ein mobiles Produkt, z. B. ein Smartphone, ein anderes Produkt drahtlos auflädt. So unterstützt beispielsweise der MAX77950 von Maxim Integrated sowohl die bestehende drahtlose Stromübertragung als auch Peer-to-Peer-Ladevorgänge, die nur minimalen zusätzlichen Entwicklungsaufwand erfordern (Abbildung 6).

Abbildung 6: Neben eher konventionellen drahtlosen Ladekonfigurationen unterstützt der drahtlose Stromempfänger MAX77950 von Maxim Integrated die drahtlose Peer-to-Peer-Stromübertragung. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Entwicklungsunterstützung für drahtlose Stromversorgungen

Ungeachtet der fortlaufenden Weiterentwicklung der drahtlosen Versorgungsfunktionen und der zugehörigen Komponenten können die Entwickler auf eine breite Auswahl an Ressourcen zur Entwicklungsunterstützung zurückgreifen, inklusive Entwicklungsboards, Entwurfsrichtlinien und Anwendungshinweise. So ist etwa jede der in diesem Artikel genannten, drahtlosen Leistungskomponenten mit einem zugehörigen Entwicklungskit erhältlich.

Für den drahtlosen Stromempfänger LTC4124 bietet Analog Devices eine Reihe von Kits an, die sowohl Sender- als auch Empfängerboards enthalten, um die drahtlose Stromübertragung bei einem zunehmenden empfangenen Ladestrom zu demonstrieren. Die Kits DC2769A-A-KIT und DC2769A-B-KIT von Analog Devices verwenden Ladeströme von 10 mA bzw. von 25 mA. Das Senderboard, das weitgehend auf dem weiter oben beschriebenen LTC4124-Design basiert (siehe Abbildung 3), verwendet einen VCO LTC6990 von Analog Devices, wohingegen das Empfängerboard den drahtlosen Empfänger LTC4124 von Analog Devices nutzt. Zur Demonstration höherer Ladeströme bieten das DC2770A-A-KIT und das DC2770A-B-KIT von Analog Devices Ladeströme von 50 mA bzw. von 100 mA, wobei ein LTC4124-basiertes Empfängerboard verwendet wird. Das Senderboard jedes Kits basiert stattdessen jedoch auf dem drahtlosen Stromsender LTC4125 von Analog Devices.

Für ihre Komponenten bieten die Unternehmen verschiedene Hilfsmittel an. Bei STMicroelectronics ist dies das Evaluierungsboard STEVAL-ISB036V1 für den drahtlosen Stromempfänger STWLC03, Texas Instruments bietet das Evaluierungsboard BQ51050BEVM zur Unterstützung der Entwicklung für den drahtlosen Stromempfänger BQ51050B an und von Maxim Integrated ist das Evaluierungskit MAX77950EVKIT für den drahtlosen Stromempfänger MAX77950. Neben ihren Evaluierungskits bieten die einzelnen Hersteller umfassende Design-Ressourcen an, bei denen es sich üblicherweise um Materiallisten, Schaltpläne und Layout-Richtlinien für die Entwickler von individuellen Designs handelt.

Zur Softwareentwicklung sind überdies in der Regel Treiber und Evaluierungssoftware verfügbar, die umgehend heruntergeladen oder angefordert werden können. Die Software zum Evaluierungskit für den MAX77950 von Maxim Integrated ermöglicht Entwicklern die Überwachung und Änderung der Register und der Konfiguration des MAX77950 über eine USB-Verbindung von ihrem Windows® 10-Computer zum MAX77950EVKIT. Hierbei wird der MAX77950 von einem integrierten Mikrocontroller über einen gemeinsamen I²C-Bus aktualisiert (Abbildung 7).

Abbildung 7: Das Softwarepaket zum Evaluierungskit für den MAX77950 von Maxim Integrated und die zugehörige Dokumentation führen die Entwickler durch verschiedene Komponenteneinstellungen für den MAX77950, damit sie die Auswirkungen der unterschiedlichen Komponentenkonfigurationen auf die drahtlose Energieübertragung beobachten können. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Fazit

Das Design echter drahtloser Fitness-Hearables stellt Entwickler vor die Herausforderung, immer effizientere Systeme implementieren zu müssen, wobei auch die Verwendung moderner drahtloser Ladetechnologie nicht zu kurz kommen darf. Wie man sehen konnte, stellen hochintegrierte PMICs und Ladezustandserfassungs-ICs eine effiziente Lösung für das Energie- und Batteriemanagement dar. Für die drahtlose Energieübertragung bietet die Verfügbarkeit von auf Standards basierenden, drahtlosen Leistungskomponenten den Entwicklern mehrere Optionen zur Implementierung drahtloser Ladefunktionen in Fitness-Hearables. Diese Standardlösungen können von den Entwicklern genutzt werden, um ohne großen Aufwand ausgefeilte echte Drahtlosprodukte zu implementieren, die das rasch zunehmende Angebot an kompatiblen drahtlosen Ladeplattformen von Drittanbietern vollumfänglich nutzen können.