보청기용 무선 충전 솔루션 설계

  • 2017년 10월호
  • 글 | Steve Knoth, Senior Product Marketing Engineer, Power Products Linear Technology Corporation Now Part of Analog Devices, Inc.



보청기는 청력이 손실된 사람들을 돕기 위해서 소리를 증폭해주는 소형의 착용가능 전자장치다.

보청기 기술은 지난 20~30년에 걸쳐서 꾸준히 발전했다. 예컨대 덜 비싼 구형 아날로그 회로 타입 보청기에 비해 최신이면서 좀 더 정교한 디지털 보청기는 특정 주파수대를 다른 주파수보다 더 많이 증폭하도록 프로그램할 수 있다. 뿐만 아니라 디지털 보청기는 착용하는 사람의 개인적인 청력 필요에 따라 조절을 하거나, 특정한 청취 환경에 따라 조절을 하거나, 특정한 방향에서 오는 소리에 집중하도록 프로그램할 수도 있다. 그러므로 보청기를 단순히 소리를 증폭하는 것을 넘어서 훨씬 더 정교하게 만들 수 있다.

18세 이상 미국 성인의 약 15%(3,750만 명)가 일정한 정도의 청력 문제를 겪는 것으로 나타났다(출처: NIDCD). 전체적인 미국 내 보청기 판매는 매년 3~4%씩 증가하고 있으며, 2014년에 미국 내 보청기 판매 대수는 300만 개를 돌파했다(출처: NIH). 가장 널리 사용되고 있는 두 가지 모델은 BTE(Behind-The-Ear) 타입 보청기와, RIC/RITE(Receiver In-the-Canal and Receiver-In-the-Ear) 타입 보청기다.

BTE 또는 RIC/RITE 타입 보청기용으로 현재 가장 많이 사용되는 전원 솔루션은 재충전이 불가능한 소형 Zn-Air(아연 공기) 일차전지(0.9~1.25V)다. 이 소재의 배터리는 체적당 에너지 밀도가 극히 우수하므로, 소형 폼팩터로 오랜 사용 시간을 달성할 수 있다. 하지만 Zn-Air 배터리는 재충전을 할 수 없으므로, 사용자가 매 7~10일마다 배터리를 갈아 끼워야 한다. 아주 작은 배터리를 아주 좁은 공간으로 자주 갈아 끼우는 것은 손을 원활히 사용할 수 없는 사람이나 노인들에게는 특히 불편할 수 있다.

반면에 리튬이온 배터리는 사용 시간도 어느 정도 되고 재충전이 가능하므로 빈번하게 교체할 필요가 없다. 하지만 현재로서는 단일 IC 배터리 충전 솔루션만으로는 보청기 전자장치들을 사용할 수 없다. 통상적인 보청기 전자장치들은 단일 셀 Zn-Air 배터리를 사용해 직접적으로 구동할 수 있는데, 리튬이온 출력 전압은 이보다 거의 3배는 높다.

그러므로 리튬이온 기반 솔루션은 보청기 ASIC 칩을 구동하기 위한 적정한 전압을 제공하기 위해서 배터리 차저와 스텝다운 레귤레이터를 모두 필요로 한다. 이처럼 다중의 IC를 사용해야 하므로 비교적으로 크기가 커지고 스위칭 잡음/EMI를 발생시킴으로써 민감한 오디오 회로에 문제가 될 수 있다.

재충전 가능 NiMH 구동 솔루션은 양쪽의 장점을 모두 제공한다. NiMH 셀은 Zn-Air 셀과 전압 출력이 거의 동일하고(그러므로 추가적인 스텝다운 레귤레이터 불필요) 재충전할 수 있으며, 표준 Zn-Air 배터리와 동일한 폼팩터로 사용할 수 있다. 그러므로 전반적으로 소형화된 보청기를 설계할 수 있다는 점에서 매력적이다.

그렇다면 무선 충전은 왜 필요할까? 그에 대한 대답은 간단하다. 배터리를 재충전할 수 있으면 배터리를 자주 갈아 끼우지 않아도 된다. 그러므로 위에서 언급했듯이 손을 쓰는 것이 원활하지 않은 사람들에게 아주 유용하다. 또한 손을 잘 사용할 수 있는 사람들에게도 훨씬 더 편리하다. 다시 말해서 무선 충전은 선 없이 충전을 하는 것으로, 커넥터가 필요 없다.

 

NiHM 배터리 셀에 무선 충전 기법을 결합함으로써 견고하고 편리한 충전 솔루션을 제공할 수 있다. 그럼으로써 보청기를 밀봉하고 방수를 할 수 있다. 보청기를 열 필요가 없으며 동시에 보청기를 보호할 수 있으므로 신뢰성과 수명을 향상시킬 수 있다.
〈표 1〉은 위에서 언급한 3가지 배터리 타입의 장점과 단점을 비교하고 있다.


무선 전력 전송(WPT)

유도 WPT 시스템(그림 1)은 트랜스미터 회로, 송신 코일, 수신 코일, 리시버 회로로 구성된다. 수신 전력은 송신 전력, 송신(Tx) 코일과 수신(Rx) 코일 사이의 결합(거리, 정렬, 물리적 특성, 페라이트), 금속성 이물체, 소자 허용오차 같은 여러 가지 요인들에 의해서 결정된다. 무선 전력 전송 시스템에서는 교류 자기장을 사용해서 전력을 전송한다.

송신 코일의 AC 전류가 자기장을 발생시킨다. 이 자기장 안으로 수신 코일이 놓여 지면 수신 코일로 AC 전류가 유도된다. 수신 코일에서 유도되는 AC 전류는 트랜스미터에서 인가되는 AC 전류와 송신 및 수신 코일 사이의 결합에 따라서 결정된다. 리시버 코일로 공진 커패시터를 연결해 송신 코일 AC 전류 주파수와 동일한 주파수로 조율된 LC 탱크를 구현하면 공진에 의해서 에어갭 사이의 전력 전송 거리를 향상시킬 수 있다.

지금까지는 WPT 충전 시스템을 구축하기 위해서 배터리 차저, 스위칭 벅 레귤레이터, WPT 회로로 이루어진 복잡한 솔루션을 필요로 했다. 이러한 복잡한 솔루션은 크기가 크고 설계하기가 까다롭다.

새로운 무선 전력 리시버 겸 NiMH 차저

위에서 열거한 요구들을 충족하는 무선 전력 리시버 및 차저 솔루션이 되기 위해서는 다음과 같은 특성들을 갖춰야 할 것이다.

- 무선 충전: 배터리를 자주 갈아 끼울 필요가 없으며, 보청기를 밀봉할 수 있고 방수를 할 수 있고 견고성을 높일 수 있다.
- 모노리딕 솔루션: 소형화된 단일 IC로 리시버와 WPT 회로 통합
- 온도 보정 충전: NiMH 배터리를 안전하게 충전할 수 있다.
- Zn-Air 배터리 감지: 보청기를 NiMH나 Zn-Air 배터리를 사용해 작동할 수 있다. 평상시에는 재충전 가능한 NiMH 배터리를 사용하나, 사용자가 NiMH 배터리를 충전하는 것을 깜빡 잊어버렸을 때와 같은 긴급 시에는 재충전이 불가능한 Zn-Air 배터리 셀을 안전하게 삽입할 수 있다. 그러므로 LTC4123이 이 배터리를 충전하지 않도록 할 수 있다(그러므로 손상 방지).
- 역 극성 검출: 배터리를 거꾸로 삽입했을 때는 충전을 하지 않는다.
- 충전 상태 지시: 사용자가 배터리를 언제 다시 충전해야 할지를 알 수 있다.
- 충전 안전성 타이머: 안전성 및 배터리 보호
- 고온/저온 감지: 배터리 온도가 극단적으로 고온 또는 저온일 때는 충전을 정지한다.
- 극히 소형화된 솔루션 크기

바로 이러한 요구를 충족하는 제품으로서 리니어 테크놀로지(Linear Technology Now Part of Analog Devices Inc.)는 LTC4123을 출시했다. LTC4123은 Varta의 Power One ACCU Plus 시리즈와 같은 NiMH 배터리용으로 30 mW 무선 리시버와 정전류/정전압 선형 차저를 통합했다. LTC4123에 외부 공진 LC 탱크를 연결함으로써 송신 코일에 의해서 발생된 교류 자기장으로부터 무선으로 전력을 수신할 수 있다.

또한 전력 관리 회로를 통합함으로써, 결합된 AC 전류를 배터리를 충전하기 위해서 필요한 DC 전류로 변환한다. LTC4123을 사용한 무선 충전은 완벽하게 밀봉된 제품을 설계할 수 있으며 Zn-Air 일차전지 배터리를 빈번하게 교체할 필요가 없게 만든다.

또한 다중의 배터리 소재로 동작할 수 있는 유연성을 필요로 하는 제품들을 위해서 LTC4123은 Zn-Air 검출 기능을 제공하므로 동일한 애플리케이션 회로로 재충전 가능 NiMH 배터리와 Zn-Air 일차전지 배터리를 모두 사용할 수 있다. 두 배터리 타입 모두 추가적인 전압 변환을 필요로 하지 않고서 보청기 ASIC을 곧바로 구동할 수 있다. 반면에 3.7V 리튬이온 배터리는 무선 배터리 충전 기능에 더해서 ASIC을 구동하기 위해서 스텝다운 레귤레이터를 필요로 한다.

LTC4123은 수신 코일로부터의 AC 전력을 정류하며 정전류/정전압 배터리 차저를 구동하기 위해서 2.2~5V 입력을 수용할 수 있다. 차저의 특징으로는 최대 25 mA까지 프로그램 가능한 충전 전류, ±1% 정확도로 온도 보정 단일 셀 1.5V 배터리 충전 전압, 충전 상태 지시, 온보드 안전성 충전 종료 타이머 등을 포함한다. 온도 보정 충전 전압이 NiMH 배터리를 보호하고 과충전을 방지한다. 또한 LTC4123은 배터리로 극성이 거꾸로 삽입되면 충전을 하지 않으며, 온도가 너무 뜨거워지거나 낮아지면 충전을 멈춘다.

LTC4123은 극소형 로우프로파일(0.75mm) 6리드 2×2 mm DFN 패키지로 제공되며, -20~85℃ 온도 범위로 동작한다(E등급 제품).


LTC4123을 사용한 무선 전력 전송

유도 무선 전원 시스템은 트랜스미터 회로, 송신 코일, 리시버 회로, 수신 코일로 이루어진다. 이러한 시스템에서 LTC4123은 리시버 회로의 토대를 이룬다. 리시버 PCB로 수신 코일을 통합할 수 있다. ACIN 핀으로 외부 공진 LC 탱크를 연결함으로써 송신 코일에 의해서 발생된 교류 자기장으로부터 전력을 무선으로 수신할 수 있다.

 

LTC4123 데이터 시트에서처럼 LTC6990 TimerBlox 전압 제어 실리콘 오실레이터를 트랜스미터로 사용할 수 있다. 〈그림 2〉는 애플리케이션 회로 예를 보여준다. 〈그림 3〉, 〈그림 4〉는 리시버/차저 및 트랜스미터 데모 보드들로서, 솔루션 크기가 얼마나 작은지를 알 수 있다.


아키텍처 상의 이점

LTC4123 솔루션은 리튬이온 + 스텝다운 레귤레이터 기반의 멀티칩 솔루션에 비해서 다음과 같은 이점이 있다.
첫째, 단일 칩 NiMH 재충전 배터리로 표준 보청기 애플리케이션의 Zn-Air 일차전지 배터리를 곧바로 대체할 수 있다.
둘째, NiMH는 특정한 배터리 크기로 리튬이온 솔루션만큼의 긴 사용 시간은 제공하지 못하나 보청기 애플리케이션용으로 어느 정도의 적절한 사용 시간을 제공한다.
셋째, 추가적인 스텝다운 전압 레귤레이션 스테이지를 필요로 하지 않는다. 그러므로 솔루션 크기, 복잡성, 비용을 줄일 수 있으며, EMI/EMC 스위칭 주파수 잡음이 오디오 품질을 방해할 염려가 없다.
넷째, NiMH 배터리용으로 극히 간소화된 단일칩 무선 충전 솔루션을 사용할 수 있다.

맺음말

LTC4123을 기반으로 한 재충전가능 NiMH 구동 솔루션은 보청기 디자이너들을 위해서 뛰어난 기능과 구현 편의성을 제공한다. NiMH 셀은 Zn-Air 셀과 전압 출력이 거의 동일하고, 재충전을 할 수 있고, 표준 Zn-Air 배터리와 거의 같은 폼팩터를 제공한다. 고유의 기능 셋과 포괄적인 보호 기능들을 포함하는 LTC4123을 사용함으로써 보청기나 여타의 웨어러블 디바이스로 시스템을 거의 변경하지 않고서 무선 재충전 기능을 구현할 수 있다. 그러므로 배터리를 자주 갈아 끼워야 하는 불편함을 덜 수 있다.  

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