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Techniques

Pouvez-vous m’entendre maintenant ?

Par Steve Knoth, Ingénieur marketing produit Produits Puissance de Linear Technology

Publication: 6 avril

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Une prothèse auditive est généralement constituée d’un petit appareil électronique portatif servant à amplifier le son pour pallier les pertes d’audition d’une personne...
 

La technologie de ces appareils s’est sans cesse améliorée au cours des 20 à 30 dernières années. À titre d’exemple, par comparaison avec les appareils auditifs plus anciens basés sur des circuits analogiques et relativement peu coûteux, il est aujourd’hui possible de programmer des prothèses numériques inédites et plus sophistiquées pour amplifier certaines fréquences par rapport à d’autres. En outre, il est possible de régler un appareil auditif en fonction des besoins spécifiques de l’utilisateur, et de l’adapter à certains environnements d’écoute, mais aussi de le programmer pour privilégier les sons provenant d’une direction spécifique. Grâce à ces caractéristiques, ces appareils répondent à des besoins plus sophistiqués que la simple amplification sonore.

Environ 15 % des adultes américains (soit près de 37,5 millions de personnes) âgés de 18 ans et plus indiquent être atteints d’une forme de trouble auditif (source : NIDCD - National Institute on Deafness and Other Communication Disorders). Historiquement, les ventes globales de prothèses auditives aux États-Unis ont progressé en moyenne de 3 à 4 % par an, et en 2014, les ventes d’appareils auditifs aux États-Unis ont atteint trois millions d’unités (source : NIH - National Institutes of Health). Les deux modèles les plus courants sont les appareils de contour d’oreille (BTE) et ceux placés dans le conduit auditif ou dans l’oreille (RIC/RITE).

Pour les prothèses auditives BTE ou RIC/RITE, la solution d’alimentation la plus fréquente est une petite pile principale Zinc-Air (0,9 V – 1,25 V) non rechargeable. Le procédé chimique de cette pile assure une densité énergétique extrêmement élevée, et donc une durée de vie prolongée et un encombrement réduit. Pour autant, les piles Zinc-Air ne sont pas rechargeables, ce qui impose leur changement tous les sept à dix jours. Les changements fréquents de piles miniaturisées dans un boîtier de petite taille sont particulièrement problématiques pour les personnes âgées atteintes de difficultés de dextérité.

En revanche, les batteries Li-Ion offrent une durée de vie raisonnable et peuvent en outre être rechargées, ce qui évite un remplacement fréquent. Cependant, il n’existe aujourd’hui, sur le marché, aucune solution de charge de batterie fonctionnant avec un seul circuit intégré. Généralement, l’électronique des systèmes de prothèses auditives fonctionne directement à partir d’une pile Zinc- Air monocellule, et la tension de sortie d’une batterie Li- Ion est environ trois fois supérieure à celle obtenue avec technologie Zinc-Air. Une solution utilisant une cellule Li-Ion nécessite donc à la fois un chargeur de batterie et un régulateur abaisseur pour produire la tension correcte nécessaire à l’alimentation du circuit ASIC (circuit intégré propre à une application) de l’appareil auditif. Une approche basée sur plusieurs circuits intégrés est relativement encombrante et provoque des bruits de commutation et des interférences électromagnétiques (EMI) problématiques du fait de la sensibilité des circuits audio.

De son côté, une solution alimentée par des éléments NiMH rechargeables offre les avantages des deux technologies évoquées. Une cellule NiMH possède une tension de sortie pratiquement identique à celle des cellules Zinc-Air (ce qui rend superflue l’utilisation d’un régulateur abaisseur). En outre, elle est rechargeable et disponible dans différentes dimensions, similaires à celles des piles Zinc-Air standard. Les prothèses auditives ainsi obtenues sont de faibles dimensions et il s’agit donc d’un choix très attractif.

Pour quelle raison un chargeur sans fil est-il nécessaire ? La réponse est évidente : recharger une batterie évite d’avoir à fréquemment changer les éléments ; et comme nous l’avons déjà mentionné, cet avantage est extrêmement précieux pour les personnes présentant des difficultés de dextérité. En outre, un chargeur sans fil est plus adapté même pour les personnes possédant une dextérité satisfaisante. L’avantage d’une charge sans fil est tout simplement qu’aucun connecteur n’est nécessaire pour effectuer une charge. D’où l’intérêt d’associer une méthode de charge sans fil et une batterie NiMH pour une solution de charge à la fois robuste et pratique. L’appareil auditif obtenu est à la fois fermé et étanche, ce qui évite de l’ouvrir. De surcroît, il est protégé et gagne ainsi à la fois en fiabilité et en longévité.

Transmission d’énergie sans fil (WPT)

Un système de transmission d’énergie sans fil inductif (illustré par la figure 1) comporte un dispositif électronique d’émetteur, une bobine d’émission, une bobine de réception et un dispositif électronique de récepteur. La puissance reçue dépend de plusieurs facteurs : puissance d’émission, couplage entre la bobine d’émission (Tx) et les bobines de réception (Rx) (distance, alignement, propriétés physiques, ferrites), métaux étrangers situés à proximité, mais aussi tolérances des composants. Dans un système de transmission sans fil, l’énergie est transmise en utilisant un champ magnétique alternatif. Le courant alternatif présent dans la bobine d’émission produit un champ magnétique. La bobine de réception étant placée dans ce champ, un courant alternatif y est induit. Ce courant alternatif induit est fonction de celui de l’émetteur et du couplage entre les bobines d’émission et de réception. Il est possible d’améliorer la portée de la transmission d’énergie par effet de résonance. Il suffit pour cela de connecter un condensateur résonant à la bobine du récepteur pour créer une cellule LC accordée sur la même fréquence que celle du courant alternatif de la bobine d’émission.

Jusqu’ici, la construction d’un système de charge avec transmission d’énergie sans fil nécessitait une solution complexe : un chargeur de batterie, un régulateur Buck de commutation et des circuits de transmission d’énergie sans fil. Cette solution tendait à être extrêmement complexe et difficile à réaliser.

Nouveau récepteur d’énergie sans fil et chargeur NiMH

Pour résoudre les problèmes présentés ici, une solution de récepteur d’énergie sans fil et de chargeur doit offrir les caractéristiques suivantes :

- Charge sans fil – Élimine la nécessité de changer fréquemment de batterie ou de pile, et permet d’obtenir une prothèse auditive fermée, étanche et plus robuste.

- Solution monolithique – Le récepteur intégré miniaturisé et les circuits de transmission d’énergie sans fil sont tous intégrés dans un seul circuit intégré.

- Charge avec compensation de température – Permet une charge sécurisée de la batterie NiMH.

- Détection des piles Zinc-Air – La prothèse auditive peut fonctionner aussi bien avec des batteries NiMH que Zinc-Air. En usage normal, une cellule NiMH rechargeable équipe l’appareil. Mais en cas d’urgence, si l’utilisateur a oublié de la charger, il est possible d’insérer en toute sécurité une pile Zinc-Air non rechargeable. Le circuit LTC4123 veille à ce moment à ne pas effectuer de charge (ce qui évite d’endommager la pile).

- Détection des polarités inversées – Arrête le processus de charge dans le cas où les pôles des batteries insérées sont inversés.

- Indication de l’état de la charge – L’utilisateur sait à quel moment recharger la batterie.

- Temporisateur de sécurité de charge – Sécurité et protection de la batterie.

- Détection de chaleur/de froid – Interrompt la charge si la température de la batterie atteint des valeurs extrêmes.

- Solution globalement miniaturisée.

Pour répondre à ces besoins spécifiques, Linear Technology, division d’Analog Devices Inc., a introduit le circuit LTC4123. Il s’agit d’un récepteur sans fil d’une puissance de 30 mW possédant un chargeur linéaire à courant constant/tension constante pour batteries NiMH, telles que la gamme Power One ACCU Plus de Varta. Une cellule résonante externe, connectée au circuit LTC4123, permet au circuit intégré de recevoir de l’énergie sans connexion filaire en utilisant un champ magnétique alternatif généré par une bobine d’émission. Les circuits intégrés de gestion d’alimentation convertissent le courant alternatif couplé pour obtenir le courant continu nécessaire à la charge de la batterie. La charge sans fil effectuée avec le circuit LTC4123 permet d’obtenir un produit complètement fermé et élimine la nécessité de remplacer en permanence les piles Zinc-Air.

Cependant, pour les produits qui apportent une flexibilité par l’utilisation de différents procédés chimiques de batterie, la fonction de détection Zinc-Air du circuit LTC4123 permet au même circuit de fonctionner de manière interchangeable avec les batteries NiMH rechargeables et avec les batteries Zinc-Air principales. Ces deux types de batteries permettent d’alimenter directement le circuit ASIC de l’appareil auditif sans avoir besoin d’un convertisseur de tension supplémentaire. En revanche, pour alimenter le circuit ASIC, une batterie Li-Ion 3,7 V nécessite un régulateur abaisseur en plus de la fonction de charge de batterie sans fil.

Le LTC4123 redresse la tension alternative reçue de la bobine de réception et peut également accepter une tension d’entrée comprise entre 2,2 V et 5 V pour alimenter un chargeur de batterie complet à courant constant/tension constante. Les caractéristiques du chargeur lui permettent d’obtenir un courant de charge programmable atteignant 25 mA, une tension de charge d’un élément de batterie 1,5 V avec compensation de température d’une précision de ± 1 %, une indication de l’état de la charge et un temporisateur intégré de charge sécurisé. La tension de charge compensée en température permet de protéger la batterie NiMH et d’éviter les surcharges. Le circuit LTC4123 empêche la charge lorsque les pôles des batteries insérées sont inversés et interrompt le processus de charge si la température devient trop élevée ou trop basse.

Le circuit LTC4123 est intégré dans un boîtier DFN 2 mm x 2 mm extrêmement compact à six conducteurs ultraplats (0,75 mm). Le composant est garanti pour fonctionner dans un intervalle de températures compris entre – 20 °C et 85 °C, dans la version Classe E.

Transmission d’énergie sans fil à l’aide du circuit LTC4123

Un système d’alimentation sans fil inductif comporte un circuit électronique d’émetteur, une bobine d’émission, un circuit électronique de récepteur et une bobine de réception. Le circuit LTC4123 constitue la base du système électronique de récepteur d’un tel système. La bobine de réception est intégrée sur le circuit imprimé (PCB) du circuit électronique de récepteur. Une cellule LC résonante externe reliée à la broche ACIN permet aux composants de recevoir l’énergie sans fil à partir du champ magnétique alternatif produit par une bobine d’émission. Un oscillateur au silicium à commande par tension TimerBlox LTC6990 peut être utilisé comme émetteur, comme l’indique la fiche technique LTC4123. Voir la figure 2 pour un exemple de schéma d’application. Voir les figures 3, 4 et 5 qui montrent des cartes de démonstration de récepteur/chargeur et émetteur illustrant la solution miniaturisée.

Avantages de l’architecture

La solution basée sur le LTC4123 possède les avantages suivants en termes d’architecture par comparaison à une batterie Li-Ion plus régulateur-abaisseur utilisant plusieurs circuits :

1. Les batteries rechargeables NiMH monocellule remplacent directement les éléments principaux Zinc-Air (Zn-Air) d’une prothèse auditive standard.

2. Une batterie NiMH n’a pas nécessairement la même durée de vie qu’une solution Li-Ion pour une taille de batterie donnée. Cependant, sa durée de vie est adéquate pour l’application envisagée.

3. Aucun régulateur de tension abaisseur n’est nécessaire, ce qui permet de réduire les dimensions, la complexité et le coût de la solution sans problème de bruit de fréquence de commutation EMI/EMC interférant avec la qualité audio.

4. Solution de charge sans fil monocircuit extrêmement simple pour les technologies chimiques des batteries NiMH.

Conclusion

La solution avec alimentation par batterie NiMH rechargeable utilisant le circuit LTC4123 apporte aux concepteurs de prothèses auditives des fonctions extrêmement performantes et une mise en oeuvre très simple. Un élément NiMH possède une tension de sortie pratiquement identique à celle des éléments Zinc-Air. De plus, il est rechargeable et possède un encombrement quasiment identique à celui d’une pile Zinc-Air standard. Les caractéristiques sans équivalent du circuit LTC4123 permettent d’apporter des capacités de recharge sans fil et de protection étendue pour une prothèse auditive, ou d’autres appareils portatifs, et ce, avec des modifications minimes apportées au système. Enfin, les questions de dextérité ne sont évidemment pas cruciales pour remplacer une batterie !

http://www.analog.com

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