Oticon strækker batterilevetid med hemmelig strømstyring

Efter års målrettet udviklingsarbejde har Oticon ramt muren, når det gælder batteriernes levetid. En faktor, som er af stor betydning i enheder som høreapparater, der altid er på farten.

I dag kan batterierne i Oticons høreapparater holde et sted mellem fem og ti dage, afhængigt af typen af apparat og brugsmønstret.

»Men jeg vil vove den påstand, at det faktisk ikke kan lade sig gøre at forlænge batterilevetiden ret meget mere, end vi har gjort nu. I hvert fald ikke i forhold til den type batterier, der i dag bliver brugt i høreapparater,« siger udviklingsdirektør i Oticon Thomas Christensen.

Der er ikke plads til de sædvanlige spoler med kobberviklinger i den lillebitte strømforsyning, der ikke fylder meget ved siden af en mobiltelefon. Derfor reguleres strømmen ved at switche kapaciteten i stedet for induktionen. (Foto: Das Büro) Illustration: Emil Lyders
Strømforsyningen i closeup. Illustration: Emil Lyders

Batteritypen er såkaldte zink-luft-batterier, hvor selve batterierne indeholder zink, der via nogle små huller reagerer med luft og derved genererer en strøm på mindre end en milliwatt. Strømmen bliver derefter fordelt rundt i høreapparatet af en ikke helt almindelig switchmode-strømforsyning, som Oticon selv har udviklet.

I modsætning til gængse switchmode-strømforsyninger, hvor der typisk indgår spoler med en masse kobberviklinger, bygger Oticons strømsystem på en switch-kapacitortilgang.

Løsningen fungerer ved at regulere strømmen ved at switche kapaciteten i stedet for induktionen, og det sparer plads, fordi kobberspoler helt kan undgås.

»Det har vi ikke plads til at lave - der kan ikke indgå en spole. Ikke så meget som en vikling,« siger Thomas Kristensen.

Effektivitet nær 100 procent

Pladsforholdene spiller ligesom batterilevetiden selvsagt en vigtig rolle i et høreapparat, hvor den elektroniske del af de apparater, som Oticon producerer, kun er på cirka 3 x 4 x 2 mm. Og på området befinder der sig ikke bare mikrofoner, men blandt andet også cpu'er og en trådløs radiomodtager, der gør det muligt at afspille eksempelvis musik direkte via høreapparatet.

Teknologien kræver selvsagt strøm, og her spiller Oticons power-management-system med den kapasitor-switchede strømforsyning i hjertet, en central rolle. Den skal blandt andet sikre at strømtabet fra batteriet til det elektroniske kredsløb er så lille som muligt.

Og noget tyder på, at effektudnyttelsen, som det ikke er muligt at få Thomas Christensen til at afsløre det præcise tal for, er ganske høj.

»Jeg tror ikke, vi kan få udnyttelsesgraden meget højere op - det er jo svært at komme over 100 procent,« siger udviklingsdirektøren med et smil.

Ligesom andre switchmode-strømforsyninger kan støj ikke undgås, når transistorerne i enheden skifter tilstand mange gange i sekundet. Det har Oticon blandt andet forsøgt at komme til livs ved at være omhyggelig under designfasen og i forhold til valg af komponenter.

»Der findes tips og tricks, der kan minimere følsomheden. Det kan være en udfordring at løse. For eksempel at støj fra den digitale del af apparatet kan påvirket den analoge del,« siger Thomas Christensen.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Hvor lang tid holder det så? Nu bruger jeg ikke høreapparat, så har ikke rigtigt nogen ide om hvad normen er, og hvad Oticon kan levere i forhold til?

  • 0
  • 0

Mange typer kondensatorer er induktive, så hvis man udnytter dette på bedste vis, så fungerer det normale switch-mode princip ganske udmærket.

  • 0
  • 0

Med mit forbrug plejer jeg at skulle skifte batterier hvem uge, og mine apparater er 10 år gamle (og fra Siemens). ;-) Det vil sige med 8-10 timers forbrug pr dag.

Så 5 dage er ikke så imponerende- medmindre det er 5 x 24 timer?

Om batterier holder i 1 uge-10 dage er ikke specielt væsenligt, man skal alligevel have ekstra med sig, og har man en uvane med at komme apparterne i lommen (hvor de kan tænde sig selv og bruger strøm), så er ekstra også en god idé.

Jeg plejer at skifte mine fast mandag morgen- ellers står man pludselig i en situation (som regel midt i en samtale), hvor batterierne løber ud.

Og da jeg får dem gratis, kan det ikke betale sig for mig at køre dem flade hver gang, det er simpelthen for irriterende, at skulle skifte batterier midt i det hele.

Mvh Tine

  • 0
  • 0

At anvende switched kapacitor til at øge spændinger, er ganske normalt - f.eks. kan købes kredsen ICL7660 der gør det. Det er muligt at opnå meget høje effektiviteter, og typisk på over 98%. Vi kender måske også alle MAX232 kredsen, som laver de høje spændinger til RS232 standarden på samme måde. Kondensatorer i sig selv, har ikke noget tab - men når der trækkes energi fra dem, vil der ske et spændingsfald, og opladningen igen medfører tab. Der kan anvendes spoler, til at forhindre det tab. Men det er nok ikke muligt i et høreapparat... Så det er muligt, at Oticon ikke kan nå så høj effektivitet, som når switch-kapacitor bruges sammen med induktion, i et design hvor der er plads.

Switch kapacitor teknikker, kan ikke kun bruges til at øge spændingen - også til at halvere den, eller dele den med et helt tal. Hvis der f.eks. bruges lithium batterier, der har 3V over sig, kan dette anvendes. Her er dog mere hensigtsmæssigt, at placere elektronikken i serie, og eventuelt dople dele op, så de er både mellem 0V og V/2 samt mellem V/2 og V. På den måde, kan elektronikken kontrolere nulpunktet, der dog skal afkobles lidt, ved at anvende den blok, der passer bedst med spændingen på nulpunktet, og derved holde den omtrent stabil. I andre tilfælde, kan der være en processor mellem 0 og V/2, samt en anden mellem V/2 og V - og her kan beregningerne lægges på dem, således spændingen stabiliseres.

Ulempen ved switch-kapacitor, er at det kun kan doble, tredoble osv. en spænding, samt halvere, dele i 3, fire osv. En switch-mode løsning med spole, kan i princippet justere helt præcis, til f.eks. 2.47 gange indgangsspændingen. I nogle tilfælde, kan også anvendes kombinerede løsninger, så den ribbel der er fra en switch-kapacitor løsning fjernes med en spole, og derved giver et bedre resultat.

Som sådan, er der ikke noget nyt i Oticons switch-kapacitor spændingsgenerator - ihvertfald ikke at vurdere efter princip. De fleste andre høreapparat producenter, anvender lignende metoder til at f.eks. fordoble spændingen. Den analoge del af et høreapparat, behøver sædvanligvis mere end kun 0.6 - 0.9V hvis det skal fungere optimalt. Digitale transistorer, kan i nogle tilfælde arbejde på så lav spænding.

Om det er muligt at opnå længere levetid end mellem 5 og 10 dage ved jeg ikke - men det er ikke usædvaligt, at når virksomheder kommer med den type påstande, så er det fordi at de har næste generation på trappen, der holder dobbelt så lang tid. Eller har planer om det.

Ses på den lydenergi som lyden udsender i løbet af en dag, og ser vi bort fra alt "tab" i såvel chip som højttaler osv. så vil det være muligt. Men det er ikke nødvendigvis trivielt at opnå. Skulle vi lave en lydgenerator, der kun producerer éen tone, så kan det sandsynligvis gøres med et pizoelektrisk krystal, der svinger på resonans. Antages, at elektronikken kan laves uden mærkbare tab, og antages at effekten der afleveres ud i lyd svarer til den typiske der afgives i lyd af et høreapparat per dag, er vi måske tæt på det optimale.

Det er ikke usandsynligt, at fremtidige højttalere måske kan anvende sådanne principper - hvis de ikke allerede gør det. F.eks. fungerer flere typer mikrofoner på den måde.

I praksis, vil højttaleren så bestå af en række afstemte pizoelektriske enheder, der kan afgive lyd, med et minimum af tilført energi, og som så moduleres af elektronik. Men antallet af toner der kan rammes perfekt reduceres. Jeg er dog langtfra sikker på, at en sådan teknologi er brugbar, og kan udvikles, og tanken er alene for at vise at det rent fysisk kan være muligt, at opnå lavt energiforbrug.

  • 0
  • 0

»Der findes tips og tricks, der kan minimere følsomheden. Det kan være en udfordring at løse. For eksempel at støj fra den digitale del af apparatet kan påvirket den analoge del,« siger Thomas Christensen.

Den digitale del, kan også udvikles til at støje mindre. Dette bruges meget, når den er tæt koblet - f.eks. del af analog elektronikken, og ikke kan adskilles. Som eksempel, kan den udvikles til lavere stigtider, til konstant strømforbrug (det er variation i strøm som ofte støjer), til at være neutral udadtil kapacitetsmæssigt (påvirkes analog delen af et digitalt signal, påvirkes det omvendt af et modsat digitalt signal, således de ophæver hinanden støjmæssigt). Dertil kommer isolation og signalbehandling. Isolation kan ske fysisk i form af afstand. Og der kan søges at "kortslutte" støjen. Kapaciteter kan minimeres, ved at bruge større spænding - men det kan være svært på høreapparater. Digitaldelen kan laves uden substratkontakter (...), til substratet som er fælles med analogdelen, og derved undgås strømme i substrat, med undtagelse af kapacitivt overførte. Latch-up fænomenter, kan undgås sikkert ved at dels begrænse strømmene til komponenterne, og ved at have yderligere substratkontakter (lavere modstand) på øen med f.eks. P-MOS transistorer, der ikke direkte er fysisk samme substrat som analogdelen, og kun kapacitivt forbundet. Spændingerne på substraterne kan øges, så der ikke kan ske latch-up, selv uden substrat kontakter. Men igen, kan disse teknikker være problematiske i høreapparater da de kræver større spænding (flere switch-mode anordninger...)

Der kan være tidsmæssigt isolation så analogdelen "sampler" på tidspunkter, hvor der ikke er digital støj. I nogle tilfælde kører den digitale del kun i en mindre del af tiden, og så kan støjen her fjernes fra analogdelen, f.eks. ved signalbehandlingen. Det svarer lidt til, at hvis den digitale støj generer, når du skal høre noget vigtigt - så beder du den holde mund, meddens du lytter. Denne isolation, kan både være i tidsdomænet, og i frekvensdomænet. I frekvensdomænet, vil støjen fjernes typisk digitalt ved signalbehandling.

Endeligt, kan analogdelen laves mere ufølsomt. Det sker ved at lave den differentiel - støjer noget i éen transsitor, vil det støje samme i en nærliggende transistor, og trækkes resultatet fra hindanden udkompenseres støj.

  • 0
  • 0

Et pizoelektrisk krystal, har ofte flere resonansfrekvenser. Hvis de eventuelt kan kalibreres, således de påtrykte frekvenser rammer disse resonanser, burde det være muligt at opnå et lavt energiforbrug for selve højttaleren. Jeg har haft et pizoelektrisk krystal til at køre på resonans med et energiforbrug på få mikrowatt, og det var absolut højt og hørbart.

Mikrofonen behøver ikke direkte at have et energiforbrug. Elektronikken, får et lavere forbrug, efterhånden som størrelserne bliver mindre, og løses problemet med højttaleren, vil et høreapparat derfor kunne opnå lavere forbrug, som resultat af mindre transistorer og kapaciteter, samt på grund af et mere optimalt udviklet produkt.

Umiddelbart kan jeg ikke se nogen forhindring for, at et høreapparat skulle kunne køre måneder på batteriet. Eller, at batteriet skulle kunne være opladeligt. Et genopladeligt batteri kan ikke holde strømmen så længe som engangsbatterierne, men hvis batterilevetiden forlænges, vil det betyde mindre.

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten