Creare un dispositivo indossabile veramente wireless da orecchio per il fitness - Parte 3: Gestione dell’alimentazione wireless

Nota del redattore: nonostante il grande potenziale di cui dispongono, gli hearable per il fitness sfidano i progettisti in tre settori chiave: la biomisurazione, l'elaborazione audio e la ricarica wireless. I tre articoli di questa serie affrontano, una alla volta, le sfide cui abbiamo accennato, mostrando agli sviluppatori come possono avvalersi di dispositivi a bassissima potenza per la creazione di hearable destinati al fitness. La Parte 1 era dedicata alla misurazione biometrica della frequenza cardiaca e dell'SpO₂. La Parte 2 si è occupata dell'elaborazione audio. La Parte 3 tratta delle soluzioni per la gestione dell’alimentazione e la ricarica wireless per i progetti di dispositivi indossabili da orecchio per il fitness.

L'ottimizzazione del consumo energetico è ora un requisito imprescindibile nella maggior parte delle applicazioni, ma i dispositivi indossabili da orecchio per il fitness sollevano preoccupazioni particolari che vanno addirittura oltre quelle che riguardano i tradizionali auricolari wireless. Questi ultimi utilizzano una connessione Bluetooth per lo streaming audio ma mantengono una connessione cablata a una batteria che in genere è incapsulata in un contenitore in linea con controlli del volume e un connettore di alimentazione. I progetti veramente wireless, invece, eliminano tutte le connessioni cablate, per cui i progettisti devono realizzare batterie ricaricabili da inserire in ogni auricolare.

Di conseguenza, gli ingegneri di sistema sono chiamati a trovare soluzioni di progettazione in grado di soddisfare requisiti di incapsulamento in spazi ristretti, garantendo al tempo stesso una durata estesa della batteria e facendo in modo che gli utenti possano ricaricarla senza difficoltà.

Questo articolo illustra gli approcci efficienti per prolungare la durata della batteria e semplificarne la ricarica e indica anche diversi rail di alimentazione per i dispositivi di biorilevamento, audio e i processori su cui poggiano questi progetti. Descrive poi brevemente come funziona la ricarica wireless, prima di introdurre soluzioni di alimentazione wireless basate su standard che gli sviluppatori di soluzioni di alimentazione wireless possono utilizzare per implementare rapidamente sofisticati prodotti veramente wireless, capaci di sfruttare al meglio la base in rapida espansione di piattaforme di ricarica di terze parti compatibili. Verranno presentate soluzioni di fornitori come Maxim Integrated, Analog Devices, STMicroelectronics e Texas Instruments.

Come gestire l'alimentazione nei dispositivi indossabili da orecchio per il fitness

Come discusso nei primi due articoli di questa serie, per ridurre al minimo il consumo energetico e prolungare la durata della batteria gli ingegneri possono attingere a biosensori SoC (System-on-Chip) a bassissima potenza, a dispositivi audio e Bluetooth (Figura 1).

Figura 1: Per i progetti di dispositivi indossabili veramente wireless da orecchio per il fitness, i circuiti integrati di gestione della potenza altamente integrati (PMIC) e i circuiti integrati per l'indicatore di carica forniscono le basi per gestire la batteria e l'alimentazione e, per la ricarica della batteria, richiedono solo una fonte di alimentazione wireless. (Immagine per gentile concessione di DigiKey, basata sul materiale di Maxim Integrated)

Oltre ad estese capacità funzionali, questi SoC sono dotati di caratteristiche proprie di gestione della potenza che utilizzano a seconda dei casi modalità operative a bassa potenza, capacità di clock o di gating della tensione, oppure si servono di regolatori di tensione interni per alimentare diversi domini di potenza da una singola fonte di alimentazione. Sebbene queste caratteristiche contribuiscano a semplificare l'implementazione di progetti ottimizzati per l'alimentazione, spesso comportano la necessità di più rail di alimentazione idonei per ogni dispositivo. Ad esempio, i SoC trattati in precedenza in questa serie (il biosensore MAXM86161 di Maxim Integrated, il codec audio MAX98090 e il microcontroller Bluetooth RSL10 di ON Semiconductor) presentano requisiti di alimentazione diversi (Tabella 1).

Tabella 1: Intervalli di alimentazione della tensione per i SoC primari nel progetto di un hearable per il fitness. (Tabella per gentile concessione di DigiKey, basata sul materiale di Maxim Integrated e ON Semiconductor)

Invece di un set di singoli regolatori di tensione, un PMIC multi-rail come MAX77654 di Maxim Integrated è una soluzione più semplice a chip singolo. Progettato appositamente per applicazioni a bassa potenza con vincoli di spazio come quelli a cui sono soggetti gli hearable, MAX77654 fornisce tre uscite del regolatore a commutazione buck/boost e due regolatori a bassa caduta di tensione (LDO) in un contenitore di 2,79 x 2,34 mm con una bassa corrente di funzionamento di 6 mA e una corrente di spegnimento di 0,3 μA. Gli sviluppatori possono programmare individualmente i tre regolatori buck/boost di MAX77654 in passi da 50 mV per fornire uscite regolate da 0,8 a 5,5 V. Allo stesso modo, le due uscite del regolatore LDO possono essere programmate in passi da 25 mV per fornire uscite che vanno da 0,8 a 3,975 V.

Il dispositivo, basato su un regolatore buck/boost a uscita multipla a singolo induttore (SIMO), aiuta a ridurre l'ingombro del progetto e la distinta base, in quanto offre una soluzione completa di gestione della potenza con solo pochi componenti aggiuntivi (Figura 2).

Figura 2: Il PMIC MAX77654 di Maxim Integrated semplifica lo sviluppo grazie alla sua capacità di fornire più rail di tensione programmabili con due LDO e tre regolatori buck/boost che richiedono un solo induttore grazie alla tecnologia SIMO del dispositivo. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

In un sistema completo, il controller e il sequenziatore dell'alimentazione off-on di MAX77654 gestiscono le transizioni interne dello stato di alimentazione e la temporizzazione necessaria per attivare (o disattivare) i rail di alimentazione secondo la sequenza specifica richiesta dall'applicazione. Nel progetto di un dispositivo indossabile da orecchio per il fitness, ad esempio, gli sviluppatori potrebbero programmare il dispositivo per applicare l'alimentazione in sequenza ai singoli SoC e sottosistemi, così da ridurre le richieste di corrente di picco o evitare artefatti audio.

Gestione di batterie

Oltre alle capacità di gestione della potenza del sistema, MAX77654 integra un caricatore completo per batterie agli ioni di litio che fornisce un tasso di carica a corrente costante programmabile da 95 mA a 475 mA da molteplici tipi di fonte, tra cui USB. La tecnologia Smart Power Selector di Maxim commuta automaticamente l'alimentazione dalla fonte di alimentazione in ingresso (CHGIN) alla batteria (BATT) e al sistema (SYS) secondo necessità. Al termine della ricarica, Smart Power Selector scollega automaticamente la batteria dalla sorgente di ingresso.

MAX77654 offre un'ampia serie di registri di stato che consentono agli sviluppatori di monitorare e controllare il funzionamento del dispositivo in ogni suo aspetto. Impostando i registri di controllo degli interrupt, gli sviluppatori possono programmare il dispositivo affinché avvisi il processore host in presenza di un'ampia gamma di condizioni operative e di guasti, tra cui sovratensione e sottotensione del sistema, temperatura, errori di ricarica e guasti della batteria.

Nel caso di un prodotto di consumo, invece, in genere combinano il PMIC con un circuito integrato per l'indicatore di carica della batteria, come MAX17260 di Maxim Integrated. Assorbendo solo 5,1 mA, MAX17260 utilizza l'algoritmo di previsione dell'età della batteria ModelGauge m5 di Maxim per fornire stime dinamiche della sua durata residua durante il funzionamento e del tempo di completamento della carica durante la ricarica. Gli sviluppatori possono programmare il dispositivo affinché generi un interrupt al processore host quando lo stato di carica rimanente scende al di sotto di una determinata soglia durante il funzionamento. In un dispositivo indossabile da orecchio per il fitness, potrebbero usare questa funzione per diminuire ordinatamente le caratteristiche dell'applicazione usando strategie come la riduzione dei tempi di aggiornamento della frequenza cardiaca del biosensore o la riduzione della larghezza di banda audio, eventualmente avvisando l'utente prima che l'alimentazione scenda al di sotto dei limiti sostenibili.

Ricarica wireless

La combinazione del PMIC MAX77654 e del CI dell'indicatore di carica MAX17260 fornisce una soluzione efficace per la gestione della batteria. Assicurare una fonte di ricarica adeguata è l'ultima sfida importante per creare un dispositivo indossabile veramente wireless da orecchio per il fitness. Per definizione, tale fonte non può sfruttare i tradizionali approcci cablati che utilizzano adattatori di alimentazione di linea o USB. Per questo, la disponibilità di tecnologie di alimentazione wireless e delle relative soluzioni su chip offre una soluzione pronta all’uso.

I metodi pratici di alimentazione wireless sfruttano l'induzione strettamente accoppiata tra una bobina primaria e una secondaria o l'induzione risonante ad accoppiamento libero tra una coppia di bobine che operano alla stessa frequenza di risonanza (vedere "Ricarica wireless induttiva e risonante a confronto").

Ampiamente utilizzata da molti anni per ricaricare prodotti di consumo come gli spazzolini elettrici o dispositivi medici come le protesi acustiche, l'alimentazione induttiva wireless ha raggiunto un livello di maturità e di supporto del dispositivo che la rende una scelta sicura anche per i prodotti elettronici più avanzati. Di conseguenza, gli sviluppatori possono, in linea di massima, implementare caricabatterie wireless usando pochi altri componenti oltre a un caricatore wireless per batterie agli ioni di litio LTC4124 di Analog Devices che riceve l'alimentazione da una bobina abbinata per induzione a una bobina trasmittente pilotata da un oscillatore controllato in tensione (VCO) LTC6990 di Analog Devices. A parte il ricevitore LTC4124 e il VCO LTC6990, il progetto completo di alimentazione wireless richiede solo un MOSFET, alcuni componenti passivi e una coppia di bobine come quella ricevente (RX) da 7,2 µH 760308101216 di Würth Elektronik e quella trasmittente (TX) da 7,5 µH 760308103206 sempre di Würth Elektronik (Figura 3).

Figura 3: Utilizzando il ricevitore di alimentazione wireless LTC4124 e l'oscillatore controllato in tensione LTC6990 di Analog Devices, gli sviluppatori possono implementare un alimentatore wireless proprietario completo con solo pochi componenti aggiuntivi. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Le prime soluzioni di alimentazione wireless erano progettualmente semplici, ma sono diventate meno adatte per i prodotti di consumo perché gli utenti hanno rapidamente accolto le offerte di alimentazione wireless standard basate sulle specifiche Qi del Wireless Power Consortium (WPC) (vedere "Ricarica wireless conforme a Qi"). Questi progetti semplici, come quello mostrato sopra, realizzati per prodotti wireless proprietari e le relative basi di ricarica, mancano di capacità chiave come la comunicazione tra ricevitore e trasmettitore, il rilevamento di corpi estranei (FOD) e di altri requisiti stabiliti nelle specifiche Qi del WPC.

Oltre a rendere possibile un processo di ricarica wireless più sofisticato, la rapida accettazione dell'alimentazione wireless compatibile con Qi ha incoraggiato la crescita di piattaforme di trasmettitori wireless a basso costo. Di conseguenza, gli sviluppatori di prodotti di consumo come i dispositivi indossabili da orecchio per il fitness che richiedono una fonte di alimentazione wireless possono concentrarsi sulla progettazione di un ricevitore di alimentazione wireless compatibile, presumendo che i potenziali utenti abbiano (e preferiscano utilizzare) le comuni basi di ricarica wireless già esistenti.

Limitazioni pratiche

Per sfruttare i vantaggi dei prodotti di ricarica wireless comunemente disponibili occorre tuttavia cambiare radicalmente la prospettiva della progettazione. In termini molto approssimativi, per un accoppiamento e un trasferimento di alimentazione efficienti servono bobine trasmittenti e riceventi ben accoppiate, di dimensioni simili e con un rapporto di induttanza della bobina secondaria rispetto a quella primaria tipicamente a una cifra. Di conseguenza, il diametro molto piccolo richiesto per la bobina di un auricolare per il fitness complicherebbe la progettazione di un sistema di alimentazione wireless in grado di soddisfare i tempi di ricarica rapidi che l'utente si aspetta. Inoltre, per posizionare correttamente la bobina dell'auricolare vicino a una di ricarica, le tolleranze molto strette per il loro allineamento e posizionamento richiederebbero un involucro personalizzato o un altro dispositivo di montaggio.

A causa di queste difficoltà, gli auricolari veramente wireless in genere adottano un approccio più pratico: un ricevitore wireless compatibile con Qi inserito nella custodia. Quando si inseriscono gli auricolari nella custodia, i pin integrati incontrano i contatti di alimentazione integrati sul fondo della custodia. A sua volta, quando si posiziona la custodia su una base di ricarica wireless compatibile di terze parti, l'alimentazione scorre in modalità wireless dalla base al ricevitore della custodia e da lì attraverso i punti di contatto agli auricolari. Utilizzando questo approccio, implementare la ricarica wireless per i dispositivi indossabili da orecchio per il fitness diventa molto più semplice. Inoltre permette di avere a disposizione un ampio set di ricevitori di alimentazione wireless compatibili con Qi.

Soluzioni di ricevitori wireless

Fortunatamente, gli sviluppatori possono trovare un'ampia gamma di ricevitori di alimentazione wireless progettati appositamente per supportare gli standard Qi del WPC. Infatti, i dispositivi disponibili vanno ben oltre i requisiti minimi per il supporto del trasferimento wireless dell'energia elettrica standard e offrono caratteristiche studiate per semplificare la progettazione complessiva del sistema. Ad esempio, come per molti dispositivi di questa classe, il ricevitore di alimentazione wireless STWLC03 di STMicroelectronics supporta un approccio semplice per disabilitare la ricarica wireless per i progetti che consente agli utenti di fornire alimentazione alla custodia di ricarica attraverso un adattatore di alimentazione esterno o una connessione USB (Figura 4).

Figura 4: Come per altri dispositivi di questa classe, il ricevitore di alimentazione wireless STWLC03 di STMicroelectronics rappresenta un'opzione semplice per disabilitare il trasferimento wireless dell'energia elettrica quando viene rilevata una fonte di alimentazione esterna. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Molti ricevitori di alimentazione wireless compatibili con Qi integrano anche capacità di ricarica delle batterie, consentendo agli sviluppatori di aggiungere batterie alla custodia per l'alimentazione di riserva quando la ricarica wireless non è disponibile o non è pratica. Ad esempio, BQ51050B di Texas Instruments supporta una sequenza di ricarica in tre fasi che comprende la precarica, la corrente costante di ricarica rapida e la tensione costante, con solo un semplice collegamento a una batteria (Figura 5).

Figura 5: Il ricevitore di alimentazione wireless BQ51050B di Texas Instruments può supportare la ricarica della batteria con solo un minimo sforzo di sviluppo in più. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Oltre alle alimentazioni esterne e la ricarica della batteria, i ricevitori di alimentazione wireless compatibili con Qi possono supportare anche gli emergenti scenari di ricarica wireless peer-to-peer che si basano su un prodotto mobile, come uno smartphone, per caricare in modalità wireless un altro prodotto. Ad esempio, MAX77950 di Maxim Integrated combina il supporto per l'utilizzo dell'alimentazione wireless esistente con quello per la ricarica peer-to-peer che richiede un minimo sforzo di sviluppo in più (Figura 6).

Figura 6: Oltre alle configurazioni di ricarica wireless più convenzionali, il ricevitore di alimentazione wireless integrato MAX77950 di Maxim Integrated supporta il trasferimento wireless dell'energia elettrica peer-to-peer. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Supporto allo sviluppo di alimentazione wireless

Malgrado la continua evoluzione delle funzioni di alimentazione wireless e dei dispositivi associati, gli sviluppatori possono trovare una fonte già pronta di risorse di supporto allo sviluppo, tra cui schede di sviluppo, guide alla progettazione e note applicative. Ad esempio, tutti i dispositivi di alimentazione wireless menzionati in questo articolo sono disponibili con un proprio kit di sviluppo.

Per il suo ricevitore di alimentazione wireless LTC4124, Analog Devices offre una serie di kit che forniscono schede trasmettitore e ricevitore per dimostrare il trasferimento wireless dell'energia elettrica a livelli crescenti di corrente di carica ricevuta. I kit DC2769A-A-KIT e DC2769A-B-KIT di Analog Devices presentano rispettivamente corrente di carica di 10 mA e 25 mA. Basata in gran parte sul progetto LTC4124 descritto in precedenza (Figura 3), la scheda trasmettitore utilizza un VCO LTC6990 di Analog Devices, mentre quella ricevitore utilizza il ricevitore wireless LTC4124, sempre di Analog Devices. Per dimostrare correnti di carica più elevate, DC2770A-A-KIT e DC2770A-B-KIT di Analog Devices hanno una corrente di carica rispettivamente di 50 mA e 100 mA, con una scheda ricevitore basata su LTC4124, mentre la scheda trasmettitore di ogni kit è basata invece sul trasmettitore di potenza wireless LTC4125 di Analog Devices.

Per i suoi dispositivi, STMicroelectronics offre la scheda di valutazione STEVAL-ISB036V1 per il ricevitore di alimentazione wireless STWLC03. Texas Instruments ha la scheda di valutazione BQ51050BEVM a supporto dello sviluppo del ricevitore di alimentazione wireless BQ51050B, mentre Maxim Integrated offre il kit di valutazione MAX77950EVKIT per il suo ricevitore di alimentazione wireless MAX77950. Oltre all'hardware del kit di valutazione, ogni produttore fornisce una serie completa di risorse di progettazione che tipicamente includono la distinta base, lo schema e la guida al layout del progetto fisico per gli sviluppatori che desiderano realizzare progetti personalizzati.

Per lo sviluppo di software, in genere sono disponibili anche driver e software di valutazione scaricabili immediatamente o su richiesta. Ad esempio, il pacchetto software del kit di valutazione MAX77950 di Maxim Integrated consente agli sviluppatori di monitorare e modificare i registri e la configurazione di MAX77950 tramite connessione USB da un computer Windows® 10 a MAX77950EVKIT, dove un microcontroller integrato aggiorna MAX77950 attraverso un bus I²C condiviso (Figura 7).

Figura 7: Il pacchetto software del kit di valutazione MAX77950 di Maxim Integrated e la relativa documentazione aiutano gli sviluppatori a completare le varie impostazioni di MAX77950 per esplorare l'effetto delle diverse configurazioni del dispositivo sulle prestazioni di alimentazione wireless. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Conclusione

I progetti per dispositivi indossabili veramente wireless da orecchio per il fitness presentano varie sfide per i progettisti che vogliono implementare sistemi sempre più efficienti, ma allo stesso tempo incoraggiano l'uso di una tecnologia di ricarica wireless avanzata. Come è stato dimostrato, PMIC altamente integrati e circuiti integrati per l'indicatore di carica offrono una soluzione efficace per la gestione dell’alimentazione e delle batterie. Per l'alimentazione wireless, la disponibilità di dispositivi di alimentazione wireless basati su standard offre agli sviluppatori diverse opzioni per implementare funzioni di ricarica wireless nei prodotti dispositivi indossabili da orecchio per il fitness. Utilizzando queste soluzioni standard gli sviluppatori possono implementare rapidamente sofisticati prodotti veramente wireless, in grado di sfruttare al meglio la base in rapida espansione di piattaforme di ricarica di terze parti compatibili.