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(Quelle: DUO Studio/Shutterstock.com)

In den letzten Jahren wurden zahlreiche Produkte mit Wearable-Technologie eingeführt. Hierzu zählen unter anderem Hearables (drahtlose Kopfhörer), die zu einer der populärsten Arten von Wearable-Geräten geworden sind. Innerhalb dieser Untergruppe sind drahtlose Ohrhörer äußerst beliebt, weil sie Mobilität und Bewegungsfreiheit ermöglichen. Die Ohrhörer kommen vor allem in drei Bereichen zur Anwendung: Als Schnittstelle mit dem Smartphone für Musik und Podcasts, als Hörgeräte und als persönliche Tonverstärker (PSAPs), wobei letztere ähnlich wie Hörgeräte arbeiten, jedoch keine medizinische Zertifizierung haben. Alle drei bieten häufig eine einstellbare Frequenzkurve und aktive Hintergrundgeräuschunterdrückung. Einige Ohrhörer verfügen auch über 4 GB Flash-Speicher für die Offline-Wiedergabe. Alle nutzen eine Batterie in jedem Ohrhörer, die aufgeladen werden muss.

Derzeit sind noch viele kabelgebundene Ohrhörer im Einsatz, aber das Ziel sind drahtlose „True Wireless Stereo (TWS)“-Ohrhörer. Im dritten Quartal 2018 lieferten Hersteller laut Statista weltweit 15Millionen TWS-Ohrhörer aus. Bis zum dritten Quartal 2019 stieg diese Zahl auf 42,5Millionen. Der anhaltende Verkaufserfolg auf dem Markt für wiederaufladbare Hearables wird von der Integration dieser kleinen tragbaren Geräte mit einem zuverlässigen und effizienten Leistungsmanagementsystem abhängen. Der folgende Beitrag erörtert einige der vielversprechendsten Anwendungen der Ohrhörertechnologie und stellt eine Power-Managementlösung für tragbare Geräte vor, mit der sich die Verbindung zwischen Ladegerät und Hearable durch Leistungs- und Datenübertragungsmanagement vereinfachen lässt.

Völlig neue Optionen für Ihre Ohren

Hearables können die Pulsfrequenz des Benutzers messen, und Geräte mit Mikrofonen können verwendet werden, um Sprachbefehle an Computer und intelligente Geräte zu übertragen, die mit digitalen Assistenten wie z. B. Google Assistant und Amazon Alexa arbeiten. Hearables können auch Rauschgeneratoren umfassen, mit denen störende Hintergrundgeräusche ausgeblendet werden können, um Konzentration, Entspannung oder Schlaf zu fördern. Diese Anwendungen werden den Markt für Hearables höchstwahrscheinlich erheblich erweitern.

Wiederaufladbares Design

Bei drahtlosen TWS-Hearables müssen die Batterien normalerweise alle vier bis acht Stunden in den mitgelieferten Ladeboxen aufgeladen werden. Dabei ist ihr Ladesystem entscheidend für den Markterfolg. Die Ladeboxen sind in der Regel mit einem Akku ausgestattet, so dass der Benutzer die Hörgeräte unterwegs aufladen kann. Das Aufladen der Ladeboxen über einen USB-Anschluss dauert etwa 1,5 Stunden. 

Die meisten Hearables verfügen in ihrer Ladebox über einen dreipoligen Anschluss für eine 5 V_DC-Stromversorgung und einen Kommunikationskanal. Dieser Kommunikationskanal wird zur Überwachung der Batterien sowohl in der Ladebox als auch in den Hörgeräten verwendet. Die Verbindung wird auch für Firmware-Updates genutzt. Einige Modelle verfügen zudem über einen vierten Pin, der erkennt, ob der Ohrhörer in die Ladebox eingesetzt wurde.

Ein besserer Weg: Der MAX20340 Leistungsmanagement-IC

Angesichts der Größe von Hearables stellt die Verwendung von drei oder vier Kontakten für die Schnittstelle ein Problem dar. Ein verbesserter Ansatz verwendet nur zwei Pins, wobei die Kommunikationsverbindung auf den Stromversorgungs-Pins kombiniert wird. Der bidirektionale Kommunikationsmanagement-IC MAX20340 für DC-Stromversorgung kombiniert Strom- und Datenübertragung in einem einzigen Kanal, d. h. es sind nur zwei Pins für die Schnittstelle mit der Ladebox erforderlich (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der MAX20340 wird in einem sehr kleinen 9-Bump WLP-Gehäuse mit nur 1,358 mm² geliefert (Quelle: Mouser Electronics)

Der MAX20340 ist eine ideale Lösung für dieses Problem. Er bietet einen bidirektionalen I²C-Link mit einer Bitrate von 166,7 kbps und ein Leistungsmanagement für bis zu 1,2 A Ladestrom. Das Bauteil wird sowohl im Ladegrät (Master) als auch im Hearable-Gerät (Slave) eingesetzt.

Der MAX20340 verfügt zudem über eine automatische Slave-Erkennung, d. h. es ist weder ein Halleffekt-Sensor noch ein dedizierter Pin erforderlich, damit die Ladebox erkennt, dass ein Hearable-Gerät angeschlossen ist. Der Chip bietet einen hohen ESD-Schutz, so dass keine zusätzlichen TVS-Dioden erforderlich sind. Ein Master-IC befindet sich in der Ladebox, wobei jeder Ohrhörer über adressierbare Slave-ICs verfügt, wie im Systemdiagramm dargestellt ist (Abbildung 2).

Optimiertes Laden

Die Ladeboxen der Hearables bieten in der Regel zwei Stromquellen: einen Akku und einen USB-Anschluss. Ein externer Abwärts-/Aufwärtswandler regelt die gewählte Stromquelle und gewährleistet ihre Stabilität. Abbildung 2 zeigt ein Diagramm eines Hearable-Ladesystems mit dem Maxim MAX20340 Leistungsmanagement-IC.

Abbildung 2: Diagramm eines Hearable-Ladesystems mit dem Maxim MAX20340: Das Diagramm zeigt den Master-IC, der sich in der Ladebox befindet, sowie die erkennbaren Slave-ICs in jedem Ohrhörer. Die Ladebox beinhaltet außerdem einen USB-Anschluss, ein Power-Path-Ladegerät und einen Abwärts-/Aufwärtswandler. (Quelle: Maxim Integrated)

Der Aufwärts-/Abwärts-/Aufwärtsregler MAX20343 mit ultraniedrigem Ruhestrom (3,5 W) kann zusammen mit dem MAX20340 verwendet werden, um die Verlustleistung in Hearables zu reduzieren. Der MAX20340 fragt in regelmäßigen Abständen die beiden Ohrhörer-Batteriespannungen ab und überträgt diese Informationen an den Mikrocontroller in der Ladebox. Die MCU stellt dann die Ausgangsspannung des Aufwärts-/Abwärtsreglers so ein, dass sie der Spannung der Ohrhörer-Batterie plus einem Overhead entspricht, die vom linearen Ladegerät benötigt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Energieverluste der Batterie im Gehäuse minimiert werden und die Wärmeabgabe im Ohrhörer deutlich reduziert wird. Diese Optimierung bedeutet auch, dass die Ohrhörer schneller geladen werden können. Der MAX20343 ist als 16-Bump-WLP mit 1,77 mm x 2,01 mm, 0,4 mm Rastermaß oder einem 12-Pin-FC2QFN-Gehäuse mit 2,50 mm x 2,50 mm, 0,5 mm Rastermaß erhältlich. Für den MAX20343 ist auch ein Evaluierungskit (MAX20340EVKIT#) erhältlich.

Fazit

Hearables sind ein beliebter Teilbereich des Wearables-Marktes. Drahtlose TWS-Ohrhörer erfreuen sich einer stark wachsenden Beliebtheit. Wer braucht schon den alten Kabelsalat? Ein gutes Design drahtloser Ohrhörer sollte auch elegant sein. Zudem muss es natürlich kompakt und leicht sein, und dabei ist das Leistungsmanagement für die Batterien von entscheidender Bedeutung. Eine Synergie zwischen der Ladebox und den beiden winzigen Ohrhörer-Geräten ist äußerst wichtig. Der MAX20340 kann diese Synergie bieten und ermöglicht in Kombination mit dem Abwärts-/Aufwärtsregler MAX20343 ein optimales Leistungsmanagement.