如何克服TWS耳機(jī)的七個(gè)設(shè)計(jì)難題

以下是一些技巧，有助于解決TWS耳機(jī)設(shè)計(jì)中的一些最棘手的挑戰(zhàn)，從最小化功率損耗到延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間。

自2016年Apple AirPods發(fā)布以來，真正的無線立體聲（TWS）市場(chǎng)已經(jīng)以每年超過50%的速度增長(zhǎng)。這些廣受歡迎的無線耳機(jī)制造商正迅速增加更多功能（噪音消除、睡眠和健康監(jiān)測(cè)），以使其產(chǎn)品與眾不同，但是從設(shè)計(jì)工程的角度來看，添加所有這些特性可能很困難。在本文中，我將回顧這些挑戰(zhàn)。

圖1：帶耳塞和充電盒的真正無線立體聲應(yīng)用示例（圖片：TI公司）

挑戰(zhàn)1：通過高效充電將功率損耗降至最低

無線耳機(jī)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是在電池盒中的耳塞充滿電后，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的總播放時(shí)間。在這種情況下，一個(gè)較長(zhǎng)的總播放時(shí)間轉(zhuǎn)化為一個(gè)案件可以充電耳塞在其整個(gè)生命周期的周期數(shù)。其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效充電，同時(shí)最大限度地減少從充電盒到耳塞的功耗。

充電盒輸出一個(gè)來自電池的電壓，作為輸入給耳塞充電。典型的方案是一個(gè)輸出固定5V的升壓變換器，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，但不能優(yōu)化充電效率。因?yàn)槎碾姵胤浅Ｐ?，所以設(shè)計(jì)師通常使用線性充電器。當(dāng)使用固定的5伏輸入時(shí)，充電效率很低–大約（V在-五蝙蝠)/五在–并對(duì)電池產(chǎn)生較大的電壓跌落。插上平均3.6V鋰離子電池電壓（半放電），5V輸入的效率僅為72%。

相反，在充電箱中使用可調(diào)輸出升壓或降壓升壓轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生的電壓僅略高于耳塞的典型電壓范圍。這就需要從充電盒到耳塞之間進(jìn)行通信，這使得充電盒的輸出電壓能夠隨著電壓的增加而動(dòng)態(tài)調(diào)整到耳塞的電池。這將最大限度地減少損耗，提高充電效率，并顯著降低熱量。圖2顯示了這樣一個(gè)系統(tǒng)的例子。

圖2：使用雙針接口的無線耳機(jī)的高效充電系統(tǒng)（來源：TI應(yīng)用報(bào)告）

挑戰(zhàn)2：縮小整體解決方案規(guī)模而不刪除功能

第二個(gè)挑戰(zhàn)是小型電池設(shè)計(jì)的普遍性挑戰(zhàn)——如何設(shè)計(jì)既小尺寸又大功能的電池。這里的簡(jiǎn)單解決方案是選擇具有更集成組件的設(shè)備。例如：

• 一個(gè)高性能的線性充電器，集成了額外的電源軌，為主系統(tǒng)塊供電，是無線耳機(jī)的一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

• 對(duì)于處理器和無線通信模塊等耗電量大、電壓低的模塊，交換軌是提高效率的最佳選擇。

• 對(duì)于不需要太大功率但確實(shí)需要低噪聲的傳感器塊，可以考慮使用低壓差調(diào)節(jié)器。

• 如果無線耳機(jī)集成了模擬前端傳感器來測(cè)量血氧和心率，您可能還需要一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器。

將額外的電源軌集成到充電器中，使其外形尺寸更小。然而，在集成更多以獲得更小與使用更多的離散集成電路（IC）以獲得靈活性之間，始終存在一種權(quán)衡。

挑戰(zhàn)3：延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間

待機(jī)時(shí)間很重要，因?yàn)橄M(fèi)者希望耳機(jī)在充電箱外長(zhǎng)時(shí)間閑置后也能播放音樂?？紤]在耳塞中使用能量密度更高的鋰離子電池，這種電池通常具有更高的電壓，比如4.35伏和4.4伏，這樣就可以儲(chǔ)存更多的能量。充滿電也會(huì)增加待機(jī)時(shí)間。一個(gè)電池充電器的特點(diǎn)是一個(gè)小終止電流和高精度將有助于延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間。如果終端電流規(guī)格有很大的變化，您可能最終得到較高的端接電流，這會(huì)導(dǎo)致提前終止和電池電量不足。

圖3顯示了一個(gè)41毫安時(shí)電池在1毫安時(shí)與4毫安時(shí)終止的情況。如果標(biāo)稱1毫安終止電流變化很大，實(shí)際終止于4毫安時(shí)，則2毫安時(shí)的電池容量將保持未開發(fā)狀態(tài)。較低的端接電流和較高的精度可增加有效電池容量。

圖3：標(biāo)稱端接電流為1毫安時(shí)的41毫安時(shí)電池實(shí)際上在4毫安時(shí)終止(圖片：TI公司）

低靜態(tài)電流（I問)在不同的工作模式下，延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間也很重要。一個(gè)電源路徑和接近零的船舶模式電流的充電器集成電路將防止電池在產(chǎn)品到達(dá)消費(fèi)者之前耗盡，支持立即使用。功率路徑需要在電池和系統(tǒng)之間放置金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），以分別管理系統(tǒng)和電池路徑。

當(dāng)耳塞在播放音樂或空閑時(shí)，系統(tǒng)的電流消耗需要盡可能小。尋找一個(gè)低I的充電器問同時(shí)也最小化了系統(tǒng)的I問. 例如，電池充電器通常需要負(fù)溫度系數(shù)（NTC）電阻網(wǎng)絡(luò)來測(cè)量電池溫度。這個(gè)BQ21061型和BQ25155例如，德州儀器公司的充電器集成了一個(gè)電流源來偏置電阻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)不進(jìn)行測(cè)量時(shí)，電阻網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)關(guān)閉。

市場(chǎng)上的一些解決方案在電池模式下工作時(shí)無法關(guān)閉NTC電流。它們要么泄漏過多（泄漏量可能超過200μ當(dāng)NTC網(wǎng)絡(luò)有20 k時(shí)Ω 或需要額外的輸入/輸出，并通過開關(guān)將其關(guān)閉。

挑戰(zhàn)4：安全設(shè)計(jì)

電池組制造商通常有在不同溫度下給電池充電的指導(dǎo)方針，電池在使用過程中必須保持在這些安全操作區(qū)域。有些需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置文件，充電停止在冷熱溫度邊界之外。例如，其他公司可能需要日本電子信息技術(shù)協(xié)會(huì)提供具體的資料。要符合這些溫度曲線，請(qǐng)尋找具有必要的內(nèi)置配置文件或一些I twoC可編程性。BQ21061和BQ25155具有設(shè)置溫度窗口和在特定溫度范圍內(nèi)采取的措施的寄存器。

電池欠壓鎖定（UVLO）是另一個(gè)安全功能，防止電池過度放電，從而受到壓力。一旦電池電壓低于某個(gè)閾值，UVLO就會(huì)切斷放電路徑。例如，對(duì)于一個(gè)充滿4.2V電壓的鋰離子電池，一個(gè)常見的截止閾值是2.8V到3V。

挑戰(zhàn)5：確保系統(tǒng)可靠性

當(dāng)用戶插入適配器時(shí)，系統(tǒng)可靠性低會(huì)導(dǎo)致一些微處理器卡住。雖然這種情況很少見，但它需要重置系統(tǒng)電源，這樣微處理器才能重新啟動(dòng)并恢復(fù)正常。一些電池充電器集成了一個(gè)硬件重置看門狗定時(shí)器，該定時(shí)器執(zhí)行硬件重置或電源循環(huán)（如果沒有） two在使用者插入適配器后的一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到C事務(wù)。系統(tǒng)復(fù)位后，電源路徑斷開并重新連接電池和系統(tǒng)。

與硬件重置看門狗計(jì)時(shí)器類似，傳統(tǒng)的軟件看門狗計(jì)時(shí)器也有助于提高系統(tǒng)可靠性，方法是在I中沒有事務(wù)的一段時(shí)間后，將充電器寄存器重置為默認(rèn)值 twoC。當(dāng)微處理器處于故障狀態(tài)時(shí)，此重置可防止電池錯(cuò)誤充電。

挑戰(zhàn)6：監(jiān)控最佳操作區(qū)域

第六個(gè)挑戰(zhàn)是監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)，內(nèi)置的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）可以有效地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。測(cè)量電池電壓是一個(gè)很好的參數(shù)，因?yàn)樗梢苑奖愕乇硎倦姵氐某潆姞顟B(tài)，雖然是近似的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果無線耳機(jī)要求的充電狀態(tài)高于±5%。

高精度的內(nèi)置ADC還允許您在充電和放電期間監(jiān)測(cè)電池和電路板的溫度，并采取措施。充電器可以監(jiān)測(cè)的其他參數(shù)包括輸入電壓/電流、充電電壓/電流和系統(tǒng)電壓。內(nèi)置的比較器還可以方便地幫助監(jiān)視特定的參數(shù)并向主機(jī)發(fā)送中斷。如果參數(shù)在正常范圍內(nèi)并且不觸發(fā)比較器，主機(jī)就不必不斷地讀取感興趣的參數(shù)。BQ25155是一個(gè)很好的例子，它可以監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)，因?yàn)樗幸粋€(gè)ADC和比較器。

挑戰(zhàn)7：簡(jiǎn)化無線連接

圖4:TWS智能手機(jī)充電狀態(tài)報(bào)告（圖片：TI公司）

一些無線耳機(jī)有一個(gè)功能，當(dāng)耳機(jī)在充電盒中并且蓋子打開時(shí)，可以在智能手機(jī)上顯示耳機(jī)和充電盒的充電狀態(tài)。為了支持這一功能，即使電池電量耗盡，耳機(jī)也必須在插入外殼時(shí)立即報(bào)告充電狀態(tài)。主芯片必須處于喚醒狀態(tài)才能報(bào)告充電狀態(tài)，因此在這種情況下，外部電源必須為耳塞供電。具有電源路徑的充電器使系統(tǒng)能夠從VBU獲得更高的電壓，同時(shí)以較低的電壓為電池充電。

無線耳機(jī)充電器的幾個(gè)功能（如船舶模式、系統(tǒng)電源重置、電池UVLO、精確終端電流和即時(shí)充電狀態(tài)報(bào)告）在沒有電源路徑功能的情況下是不可能實(shí)現(xiàn)的，這需要在電池和系統(tǒng)之間放置一個(gè)MOSFET，以分別管理系統(tǒng)和電池路徑。圖5說明了帶和不帶電源路徑的充電器。

根據(jù)電池大小和充電率，在充電箱設(shè)計(jì)中可以看到開關(guān)和線性充電器。開關(guān)充電器具有更高的效率和產(chǎn)生更少的熱量，這對(duì)于700毫安及更高的大電流非常重要。開關(guān)充電器通常帶有集成的升壓或隨行功能，可以提高電池電壓，為耳塞充電提供輸入電壓。線性充電器也是低電流水平電池盒的好選擇，因?yàn)樗鼈兲峁┑统杀竞偷虸問 .

可充電助聽器也有類似的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。它們通常比耳塞小，這樣看起來就看不見了，因此需要在更小的面積內(nèi)進(jìn)行更多的功率整合。他們還需要低噪音的電源軌，包括一個(gè)開關(guān)電容拓?fù)?，以獲得卓越的音頻清晰度。

圖5：帶或不帶電源路徑的電池充電器（TI公司）

隨著制造商不斷尋求性能、功能和尺寸的提升，電池充電器IC將繼續(xù)成為TWS產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要元素。為了應(yīng)對(duì)本文中討論的挑戰(zhàn)，請(qǐng)務(wù)必考慮使用高性能充電器。