Cree verdaderos auriculares inalámbricos de rastreo de estado físico. Parte 3: administración de alimentación inalámbrica

Por Stephen Evanczuk

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Nota del editor: A pesar de que tienen un gran potencial, los auriculares de rastreo de estado físico presentan importantes desafíos de diseño en tres áreas clave: biometría, procesamiento de audio y carga inalámbrica. Esta serie de tres artículos explora cada uno de estos desafíos y muestra a los desarrolladores cómo aprovechar los dispositivos de potencia ultrabaja para crear auriculares de rastreo de estado físico con más eficacia. La Parte 1 abordó la biometría de la frecuencia cardíaca y los SpO2. La Parte 2 analizó el procesamiento de audio. La Parte 3 habla sobre las funciones para la administración de alimentación y la carga inalámbrica de los diseños de auriculares de rastreo de estado físico.

La optimización de la alimentación se convirtió en un requisito fundamental en la mayoría de los segmentos de aplicaciones, pero los auriculares de rastreo de estado físico generan inquietudes específicas que superan las de los audífonos “inalámbricos” convencionales. Estos últimos utilizan una conexión Bluetooth para transmitir contenido de audio, pero necesitan una conexión con cable a una batería en general incluida en un paquete en línea con controles de volumen y un conector de alimentación. Por el contrario, los verdaderos diseños inalámbricos no requieren conexiones con cable, lo que exige a los diseñadores de productos colocar baterías recargables en los audífonos.

Como resultado, los ingenieros de sistemas deben hallar soluciones de diseño que cumplan con los requisitos de presentación compacta y garanticen una duración prolongada de la batería y un proceso de recarga sencillo para los usuarios.

Este artículo habla sobre diferentes enfoques eficaces para prolongar la duración de la batería y simplificar la recarga, y brinda múltiples rieles de suministro para los dispositivos de biodetección, audio y procesamiento subyacentes a estos diseños. Luego describe brevemente cómo funciona la carga inalámbrica y presenta soluciones de alimentación inalámbrica basadas en estándares, que los desarrolladores pueden utilizar para implementar rápidamente verdaderos y sofisticados productos inalámbricos que pueden aprovechar por completo una base de plataformas de carga compatibles de terceros que se expande rápidamente. Se presentarán soluciones de proveedores como Maxim Integrated, Analog Devices, STMicroelectronics y Texas Instruments.

Cómo administrar la alimentación de los auriculares de rastreo de estado físico

Como se habló en los primeros dos artículos de esta serie, los ingenieros pueden recurrir a dispositivos Bluetooth, con SoC (sistemas en chip) y de biodetección y audio de potencia ultrabaja para minimizar el consumo de alimentación y prolongar la duración de la batería (Figura 1).

Diagrama de circuitos administración de alimentación altamente integrados de Maxim y circuitos integrados de indicador de carga (haga clic para ampliar)Figura 1: en lo que respecta a los diseños de verdaderos auriculares inalámbricos de rastreo de estado físico, los PMIC (circuitos integrados de administración de alimentación) y los IC (circuito integrado) de indicador de carga son la base de la administración de la alimentación y las baterías, ya que solo requieren una fuente de alimentación inalámbrica para recargar la batería. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics, basado en material fuente de Maxim Integrated)

Además de las amplias capacidades funcionales, estos SoC integran sus propias características de administración de alimentación, que utilizan de distintas maneras modos operativos de baja potencia, capacidades de reloj o conmutación de voltaje, o reguladores de voltaje internos para suministrar distintos dominios de alimentación desde una sola fuente. Si bien estas características simplifican la implementación de los diseños optimizados de alimentación, suelen requerir múltiples rieles de alimentación según el dispositivo. Por ejemplo, los SoC sobre los que hablamos antes en esta serie (biodetector MAXM86161 y CODEC de audio MAX98090 de Maxim Integrated y microcontrolador Bluetooth de ON Semiconductor RSL10) presentan diversos requisitos de suministro (Tabla 1).

Dispositivo Suministro Rango de voltaje (voltios)
Biodetector
MAXM86161 de Maxim Integrated
Suministro único (VLED) 3.0 a 5.5
CODEC de audio
MAX98090 de Maxim Integrated
Voltaje de suministro digital (VDVDD)
Voltajes de suministro análogo (VAVDD, VHPVDD)
Voltaje de suministro digital de E/S (VDVDDIO)
Voltajes de altavoz
1.08 a 1.98 (1.2 típico)
1.65 a 2.0 (1.8 típico)
1.65 a 3.6 (1.8 típico)
2.8 a 5.5 (3.7 típico)
MCU Bluetooth
RSL10 de ON Semiconductor
Suministro único (VBAT) 1.18 a 3.3 (1.25 típico)

Tabla 1: rangos de suministro de voltaje para los SoC principales en un diseño de auriculares de rastreo de estado físico. (Fuente de la tabla: Digi-Key Electronics, basado en material fuente de Maxim Integrated y ON Semiconductor)

En lugar de un conjunto de reguladores de voltaje individuales, un PMIC multirriel como el MAX77654 de Maxim Integrated ofrece una solución más simple de chip único. Diseñado específicamente para aplicaciones de baja potencia y espacio limitado como los auriculares, el MAX77654 ofrece tres salidas de regulador elevador/reductor y dos reguladores de LDO (caída baja) en un paquete de 2.79 mm x 2.34 mm con una corriente operativa baja de 6 microamperios (mA) y una corriente de apagado de 0.3 μA. Los desarrolladores pueden programar los tres reguladores elevadores/reductores MAX77654 individualmente de a 50 milivoltios (mV) para ofrecer salidas de entre 0.8 y 5.5 voltios. De manera similar, las dos salidas de los reguladores de LDO pueden programarse de a 25 mV para ofrecer salidas de entre 0.8 y 3.975 voltios.

Con base en un regulador elevador/reductor de SIMO (inductor único y salida múltiple), el dispositivo reduce la BOM (lista de materiales) y el espacio de diseño y brinda una solución de administración de alimentación con solo unos pocos componentes más (Figura 2).

Diagrama del PMIC MAX77654 de Maxim Integrated (haga clic para ampliar)Figura 2: el PMIC MAX77654 de Maxim Integrated simplifica el desarrollo con su capacidad de suministrar múltiples líneas de voltaje programables con dos LDO y tres reguladores reductores/elevadores que solo necesitan un inductor gracias a la tecnología SIMO del dispositivo. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Dentro de un sistema completo, el controlador de encendido-apagado y el secuenciador de alimentación del MAX77654 administran las transiciones internas de estados de potencia y los tiempos necesarios para abrir (o cerrar) los rieles de alimentación, según la secuencia específica requerida por la aplicación. Por ejemplo, en el diseño de los auriculares de rastreo de estado físico, los desarrolladores podrían programar el dispositivo para que aplique potencia a los SOC y subsistemas individuales secuencialmente para reducir los picos de demanda de corriente o evitar defectos de audio.

Administración de baterías

Además de las capacidades de administración de alimentación de su sistema, el MAX77654 integra un completo cargador de batería de ion de litio que brinda una tasa de carga de corriente constante programable de 95 miliamperios (mA) a 475 mA de una amplia variedad de fuentes, incluido un puerto USB. La tecnología Smart Power Selector de Maxim automáticamente alterna la alimentación de la fuente de potencia de entrada (CHGIN) a la batería (BATT) y al sistema (SYS) según sea necesario. Cuando finaliza la carga, Smart Power Selector desconecta la batería de la fuente de entrada automáticamente.

El MAX77654 ofrece un amplio conjunto de registros de estado; esto permite a los desarrolladores supervisar y controlar todos los aspectos del funcionamiento del dispositivo. Los desarrolladores pueden programar el dispositivo definiendo registros de control de interrupción, a fin de que alerte al procesador host sobre una amplia variedad de condiciones y fallos operativos, incluido el sobrevoltaje o el subvoltaje del sistema, la temperatura, los errores en la carga y los fallos de la batería.

Sin embargo, para productos de consumo, los desarrolladores suelen combinar el PMIC con el IC de indicador de carga de una batería, como el MAX17260 de Maxim Integrated. Con un consumo de apenas 5.1 mA, el MAX17260 utiliza ModelGauge m5 de Maxim, el algoritmo de pronóstico de duración de la batería que proporciona cálculos dinámicos de lo que queda de batería durante el funcionamiento y del tiempo para la finalización de carga durante el proceso de carga. Los desarrolladores pueden programar el dispositivo para que se interrumpa el procesador host cuando el estado de carga restante caiga por debajo de un umbral específico durante la operación. En un auricular de rastreo de estado físico, los desarrolladores podrían utilizar esta característica para degradar con elegancia las características de la aplicación mediante estrategias tales como reducir los tiempos de actualización de frecuencia cardíaca del biodetector o disminuir el ancho de banda para audio, en última instancia alertando al usuario antes de que la potencia caiga por debajo de los límites sostenibles.

Carga inalámbrica

La combinación de PMIC MAX77654 e IC de indicador de carga MAX17260 ofrecen una solución eficaz para la administración de batería. Brindar una fuente de carga apta es el gran desafío que resta sortear para crear un auricular verdaderamente inalámbrico que mida el estado físico. Por definición, esa fuente no puede utilizar los métodos de conexión por cable convencionales que utilizan adaptadores de alimentación o puertos USB. Por esto, la disponibilidad de tecnologías de alimentación inalámbrica y las soluciones de silicio asociadas son una solución inmediata.

Los métodos de alimentación inalámbrica prácticos se valen de la inducción bien acoplada entre una bobina de cable primaria y secundaria o de una inducción resonante débilmente acoplada entre un par de bobinas que funcionan a la misma frecuencia resonante (ver "Carga inalámbrica inductiva versus resonante").

De uso extendido durante muchos años para recargar productos de consumo, tales como cepillos de dientes electrónicos o dispositivos médicos, como audífonos, la alimentación inalámbrica inductiva ha alcanzado un nivel de madurez y soporte de dispositivos que la convierten en una opción segura incluso para los productos electrónicos más avanzados. Como resultado, en principio, los desarrolladores pueden implementar cargadores de alimentación inalámbrica con poco más que un cargador de ion de litio inalámbrico LTC4124 de Analog Devices que reciba alimentación de una bobina acoplada por inducción a una bobina transmisora impulsada por un VCO (oscilador controlado por tensión) LTC6990 de Analog Devices Junto con el receptor LTC4124 y el VCO LTC6990, el diseño completo para suministro de alimentación inalámbrica requiere solo un MOSFET, unos pocos componentes pasivos y un par de bobinas, como la bobina receptora (RX) Würth Elektronik 760308101216 de 7.2 microhenry (µH) y la bobina transmisora (TX) Würth Elektronik 760308103206 de 7.5 µH (Figura 3).

Diagrama de LTC4124 y LTC6990 Analog DevicesFigura 3: Utilizando el receptor de alimentación inalámbrica LTC4124 Analog Devices y el oscilador controlado por tensión LTC6990 Analog Devices, los desarrolladores pueden implementar un suministro de alimentación inalámbrica completo y exclusivo con unos pocos componentes más. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Si bien se trata de diseños simples, las primeras soluciones de alimentación inalámbrica se volvieron menos aptas para los productos de consumo, ya que los usuarios adoptaron rápidamente las ofertas de alimentación inalámbrica estándar basadas en las especificaciones Qi del PWC (Consorcio de Energía Inalámbrica) (ver "Carga inalámbrica conforme a las especificaciones Qi"). Estos diseños simples, como el que se muestra más arriba, diseñado para productos inalámbricos exclusivos y sus bases de recarga carecen de capacidades clave, como la comunicación entre receptor y transmisor, la detección de objetos extraños (FOD) y otros requerimientos descritos en las especificaciones Qi del WPC.

Además de favorecer un proceso de recarga inalámbrica más sofisticado, la rápida aceptación de la alimentación inalámbrica compatible con Qi ha alimentado el surgimiento de plataformas para la transmisión de alimentación inalámbrica de bajo costo. Como resultado, los desarrolladores de productos de consumo, como los auriculares que miden el estado físico que requieren una fuente de alimentación inalámbrica pueden enfocarse en gran medida en diseñar un receptor de alimentación inalámbrica compatible con la esperanza de que los usuarios potenciales tengan (y prefieran usar) las almohadillas de recarga inalámbrica genéricas existentes.

Limitaciones prácticas

Sin embargo, aprovechar los productos de recarga inalámbrica disponibles requiere un giro fundamental en la perspectiva del diseño. En una aproximación rápida, el acoplamiento y la transferencia de alimentación eficientes exigen que las bobinas transmisora y receptora estén bien acopladas, sean de similar tamaño y que la relación de inductancia de bobina primaria y secundaria no supere un dígito. En consecuencia, utilizar la bobina de diámetro muy pequeño necesaria para que entre en un auricular que mida el estado físico complicaría el diseño de un sistema de alimentación inalámbrica capaz de satisfacer las expectativas del usuario en cuanto a rapidez de recarga. Además, las estrictas tolerancias en cuanto a alineación y ubicación entre bobinas demandarían un diseño de producto que usara una carcasa a medida u otro montaje que colocara de manera consistente la bobina del auricular bien cerca de una bobina de carga.

Debido a todos estos desafíos, los auriculares verdaderamente inalámbricos suelen demandar un enfoque más práctico que permita construir un receptor inalámbrico compatible con las especificaciones Qi dentro de la carcasa del auricular. Cuando los audífonos se colocan dentro de la carcasa, los pines incorporados a cada auricular se tocan con los contactos de alimentación integrados en la base de la carcasa. Cuando la carcasa se ubica sobre una almohadilla de carga inalámbrica compatible de otro fabricante, la alimentación se transmite de manera inalámbrica desde la almohadilla hasta el receptor de la carcasa y desde allí por los puntos de contacto hasta los audífonos. De esta manera, implementar la recarga inalámbrica en auriculares para medir el estado físico se convierte en un problema mucho más sencillo, que puede abordarse con un conjunto amplio de receptores de alimentación inalámbrica compatibles con las especificaciones Qi.

Soluciones de receptor inalámbrico

Afortunadamente, los desarrolladores pueden encontrar una amplia gama de receptores de alimentación inalámbrica diseñados específicamente según las normas Qi del WPC. En realidad, los dispositivos disponibles superan cómodamente los requerimientos mínimos de transferencia de alimentación inalámbrica estándar y ofrecen características diseñadas para simplificar el diseño general del sistema. Por ejemplo, como con muchos dispositivos de esta clase, el receptor de alimentación inalámbrica STMicroelectronics STWLC03 soporta un enfoque simple para desactivar la carga inalámbrica de diseños que permiten a los usuarios llevar energía a la carcasa de recarga mediante un adaptador externo o una conexión USB (Figura 4).

Diagrama del receptor de alimentación inalámbrica STMicroelectronics STWLC03Figura 4: Como ocurre con otros dispositivos de esta clase, el receptor de alimentación inalámbrica STMicroelectronics STWLC03 otorga una opción simple para desactivar la transmisión de energía inalámbrica cuando detecta una fuente de alimentación externa. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Muchos receptores de alimentación inalámbrica compatibles con las especificaciones Qi también integran las capacidades de carga de la batería; esto permite a los desarrolladores agregar baterías a la carcasa para contar con una segunda fuente de alimentación cuando la recarga inalámbrica no esté disponible o cuando no convenga usarla. Por ejemplo, BQ51050B Texas Instruments soporta una secuencia de carga de tres pasos, entre ellos, precarga, corriente constante de carga rápida y voltaje constante, solo con una simple conexión a un paquete de baterías (Figura 5).

Diagrama del receptor de alimentación inalámbrica BQ51050B Texas InstrumentsFigura 5: El receptor de alimentación inalámbrica BQ51050B Texas Instruments soporta una carga de paquete de baterías con un esfuerzo de desarrollo adicional mínimo. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Además de soportar carga de batería y suministros externos, los receptores de alimentación inalámbricos compatibles con las especificaciones Qi también admiten escenarios de recarga inalámbrica entre pares basados en un producto móvil, como un smartphone, para cargar de manera inalámbrica otro producto. Por ejemplo, MAX77950 Maxim Integrated combina el soporte para consumo de energía inalámbrica existente con soporte para recarga entre pares que exige un mínimo esfuerzo de desarrollo adicional (Figura 6).

Diagrama del receptor de alimentación inalámbrica MAX77950 Maxim IntegratedFigura 6: Además de soportar configuraciones de carga inalámbrica más convencionales, el receptor de alimentación inalámbrica MAX77950 Maxim Integrated soporta la transferencia de alimentación inalámbrica entre pares. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Soporte del desarrollo de alimentación inalámbrica

A pesar de la constante evolución de las características de la alimentación inalámbrica y los dispositivos asociados, los desarrolladores pueden hallar un suministro inmediato de recursos de soporte de desarrollo, entre ellos, placas, guías de diseño y notas de aplicación. Por ejemplo, cada uno de los dispositivos de alimentación inalámbrica que mencionamos en este artículo está disponible con un kit de desarrollo asociado.

Para su receptor de alimentación inalámbrica LTC4124, Analog Devices ofrece una serie de kits de placas de transmisor y receptor para demostrar la transferencia de alimentación inalámbrica a niveles de corriente de carga recibida cada vez más altos. Los kits DC2769A-A-KIT y DC2769A-B-KIT Analog Devices presentan corrientes de carga de 10 mA y 25 mA, respectivamente. Basándose en gran medida en el diseño de LTC4124 que se describió antes (ver la Figura 3), la placa de transmisor utiliza un VCO LTC6990 Analog Devices, mientras que la placa de receptor utiliza un receptor inalámbrico LTC4124 Analog Devices. Para demostrar corrientes de carga más altas, el DC2770A-A-KIT y DC2770A-B-KIT Analog Devices presentan corrientes de carga de 50 mA y 100 mA, respectivamente, con una placa de receptor basada en LTC4124; en cambio, cada placa de transmisor del kit se basa en el transmisor de alimentación inalámbrica LTC4125 Analog Devices.

Para sus dispositivos, STMicroelectronics ofrece la placa de evaluación STEVAL-ISB036V1 para el receptor de alimentación inalámbrica STWLC03; Texas Instruments presenta la placa de evaluación BQ51050BEVM que soporta el desarrollo del receptor de alimentación inalámbrica BQ51050B; y Maxim Integrated ofrece el kit de evaluación MAX77950EVKIT para su receptor de alimentación inalámbrica MAX77950. Junto con el hardware del kit de evaluación, cada fabricante ofrece un conjunto completo de recursos de diseño que, por lo general, incluye una guía de diseño físico, esquemático y BOM para los desarrolladores que se dedican a los diseños a medida.

Para el desarrollo de software, los controladores y el software de evaluación suelen estar disponibles para su descarga inmediata o por pedido. Por ejemplo, el paquete MAX77950 Evaluation Kit Software Maxim Integrated permite a los desarrolladores controlar y modificar los registros y la configuración de MAX77950 vía conexión USB desde su computadora con Windows® 10 al MAX77950EVKIT, donde un microcontrolador integrado actualiza el MAX77950 mediante un bus I2C compartido (Figura 7).

Imagen del paquete Maxim Integrated MAX77950 Evaluation Kit Software (haga clic para ampliar)Figura 7: El paquete MAX77950 Evaluation Kit Software Maxim Integrated y la documentación asociada ayuda a los desarrolladores a recorrer las distintas configuraciones del dispositivo MAX77950 y a explorar el efecto de las distintas configuraciones en el rendimiento de la alimentación inalámbrica. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

Conclusión

Los diseños de auriculares para medir el estado físico verdaderamente inalámbricos son un desafío para los desarrolladores en cuanto a la implementación de sistemas cada vez más eficientes, a la vez que alientan el uso de tecnología de recarga inalámbrica avanzada. Como se muestra, los circuitos altamente integrados de administración de alimentación y los IC de indicador de carga ofrecen una solución eficaz para la administración de alimentación y la batería. Para la alimentación inalámbrica, la disponibilidad de dispositivos de alimentación inalámbrica basados en la normativa ofrece a los desarrolladores opciones múltiples para implementar características de carga inalámbrica en auriculares para medir el estado físico. Usando estas soluciones basadas en la normativa, los desarrolladores pueden implementar rápidamente sofisticados productos verdaderamente inalámbricos, capaces de aprovechar una base de plataformas de recarga de terceros compatibles en rápida expansión.

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Acerca de este autor

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk tiene más de 20 años de experiencia escribiendo para y sobre la industria de electrónica en un amplio rango de temas, entre ellos hardware, software, sistemas y aplicaciones, que incluyen IoT. Se doctoróen neurociencias (redes neuronales) y trabajó en la industria aeroespacial en sistemas seguros con distribución masiva y métodos de aceleración de algoritmos. Actualmente, cuando no escribe artículos sobre tecnología e ingeniería, trabaja en aplicaciones de aprendizaje profundo sobre sistemas de reconocimiento y recomendaciones.

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