لقد انفجر سوق الاستريو اللاسلكي الحقيقي (TWS) ، حيث نما بمعدل يقدر بأكثر من 50 ٪ كل عام منذ إصدار Apple AirPods في عام 2016. يضيف مصنعو هذه السماعات اللاسلكية الشهيرة المزيد من الميزات بسرعة (إلغاء الضوضاء والنوم و مراقبة الصحة) للتمييز بين منتجاتهم ، ولكن إضافة كل هذه الميزات قد يكون صعبًا من منظور هندسة التصميم. في هذه المقالة ، سأراجع هذه التحديات.
الشكل 1: مثال على تطبيق استريو لاسلكي حقيقي مع سماعات أذن وعلبة شحن (الصورة: Texas Instruments Inc.)
التحدي رقم 1: تقليل فقدان الطاقة من خلال الشحن الفعال
يتمثل التحدي الأساسي لسماعات الرأس اللاسلكية في تحقيق وقت تشغيل إجمالي أطول بعد شحن سماعات الأذن بالكامل في علبة البطارية. في هذه الحالة ، يُترجم وقت التشغيل الإجمالي الأطول إلى عدد الدورات التي يمكن أن تشحنها العلبة لسماعات الأذن طوال عمرها الافتراضي. الهدف هو تحقيق شحن عالي الكفاءة مع تقليل فقد الطاقة من علبة الشحن إلى سماعات الأذن.
خرج علبة الشحن أ الجهد االكهربى، المشتق من بطاريته ، والذي يعمل كمدخل لشحن سماعات الأذن. المخطط النموذجي هو دفعة محول ينتج عنه 5 فولت ثابت ، وهو حل بسيط ولكنه لا يحسن كفاءة الشحن. نظرًا لأن سماعات الأذن تحتوي على بطاريات صغيرة جدًا ، فغالبًا ما يستخدم المصممون أجهزة شحن خطية. كفاءة الشحن عند استخدام دخل ثابت 5-V منخفضة - تقريبًا (V.IN-VBAT)/الخامسIN - ويخلق جهد تسرب كبير للبطارية. بتوصيل متوسط جهد بطارية الليثيوم أيون (Li-ion) البالغ 3.6 فولت (مفرغ في منتصف الطريق) ، فإن الكفاءة مع إدخال 5-V تصل إلى 72 ٪ فقط من الشحن.
على العكس من ذلك ، فإن استخدام دفعة إخراج قابلة للتعديل أو محول باك في علبة الشحن يخلق جهدًا بالكاد أعلى من نطاق الجهد النموذجي لسماعات الأذن. يتطلب ذلك الاتصال من علبة الشحن إلى سماعات الأذن ، مما يمكّن جهد خرج علبة الشحن من التكيف ديناميكيًا مع بطارية سماعات الأذن مع زيادة الجهد. سيؤدي ذلك إلى تقليل التسرب وزيادة كفاءة الشحن وتقليل الحرارة بشكل كبير. التين 2 يظهر مثالا على مثل هذا النظام.
الشكل 2: نظام شحن عالي الكفاءة لسماعة رأس لاسلكية باستخدام واجهة ثنائية (المصدر: تقرير تطبيق TI SLUAA04)
التحدي رقم 2: تقليص الحجم الإجمالي للحل دون إزالة الميزات
التحدي الثاني هو التحدي العالمي لتصميمات البطاريات الصغيرة - كيفية التصميم لكل من الحجم الصغير والوظائف الأكبر. الحل البسيط هنا هو اختيار الأجهزة ذات المكونات الأكثر تكاملاً. على سبيل المثال:
- يعد الشاحن الخطي عالي الأداء الذي يدمج قضبان طاقة إضافية لتزويد كتل النظام الرئيسية خيارًا جيدًا لسماعات الرأس اللاسلكية.
- بالنسبة للكتل المتعطشة للطاقة والجهد المنخفض مثل المعالجات ووحدات الاتصالات اللاسلكية ، فإن قضبان التبديل هي أفضل خيار لتحقيق الكفاءة.
- في حالة مدخل بطاقة الذاكرة : نعم الكتل التي لا تحتاج إلى قدر كبير من الطاقة ولكنها تتطلب ضوضاء منخفضة ، ضع في اعتبارك المنظمين منخفضي التسرب.
- إذا كانت سماعة الرأس اللاسلكية تدمج مستشعرات أمامية أمامية لقياس الأكسجين في الدم ومعدل ضربات القلب ، فقد تحتاج أيضًا إلى محول تعزيز.
يتيح دمج قضبان الطاقة الإضافية في الشاحن عامل شكل أصغر. هناك دائمًا مفاضلة بين دمج المزيد للحصول على أصغر مقابل استخدام المزيد من الدوائر المتكاملة المنفصلة (ICs) لاكتساب المرونة.
التحدي رقم 3: تمديد وقت الانتظار
يعد وقت الانتظار أمرًا مهمًا لأن المستهلكين يتوقعون أن تكون سماعات الرأس الخاصة بهم جاهزة لتشغيل الموسيقى حتى بعد الخمول لفترة طويلة خارج علبة الشحن. ضع في اعتبارك استخدام خلايا Li-ion عالية الكثافة للطاقة في سماعات الأذن ، والتي تأتي عادةً بجهد أعلى مثل 4.35 فولت و 4.4 فولت ، وبالتالي تحزم المزيد من الطاقة. الشحن الكامل سيزيد من وقت الانتظار أيضًا. سيساعد شاحن البطارية الذي يتميز بتيار إنهاء صغير بدقة عالية على إطالة وقت الانتظار أيضًا. إذا كانت مواصفات الإنهاء الحالية لها تباين كبير ، فقد ينتهي بك الأمر بالحصول على تيار الإنهاء على الجانب الأعلى ، مما يؤدي إلى الإنهاء المبكر والبطارية منخفضة الشحن.
التين 3 يظهر حالة حيث تنتهي بطارية 41 مللي أمبير عند 1 مللي أمبير مقابل 4 مللي أمبير. إذا كان تيار الإنهاء الاسمي 1 مللي أمبير له تباين واسع وينتهي فعليًا عند 4 مللي أمبير ، فستظل سعة البطارية 2 مللي أمبير في الساعة غير مستغلة. يعمل تيار الإنهاء المنخفض والدقة الأعلى على زيادة سعة البطارية الفعالة.
الشكل 3: بطارية 41 مللي أمبير مع تيار إنهاء اسمي 1 مللي أمبير ينتهي فعليًا عند 4 مللي أمبير. (الصورة: شركة Texas Instruments Inc.)
تيار هادئ منخفض (I.Q) في أوضاع العمل المختلفة مهم أيضًا للمساعدة في تمديد أوقات الاستعداد. شاحن IC بمسار طاقة وما يقرب من صفر في وضع الشحن سوف يمنع البطارية من الاستنزاف قبل أن يصل المنتج إلى المستهلك ، مما يدعم الاستخدام الفوري. يستلزم مسار الطاقة وضع أكسيد فلز أشباه الموصلات تأثير الحقل الترانزستور (MOSFET) بين البطارية والنظام لإدارة النظام ومسارات البطارية بشكل منفصل.
عندما تقوم سماعات الأذن بتشغيل الموسيقى أو الخمول ، يجب أن يكون استهلاك النظام الحالي صغيرًا قدر الإمكان. ابحث عن شاحن منخفض المستوىQ ويقلل أيضًا من I في النظامQ. على سبيل المثال ، غالبًا ما تحتاج شواحن البطاريات إلى معامل درجة حرارة سالب (NTC) المقاوم شبكة لقياس درجة حرارة البطارية. على سبيل المثال ، تدمج أجهزة الشحن BQ21061 و BQ25155 من شركة Texas Instruments مصدرًا حالي لتحيز شبكة المقاوم ، والتي يمكن إيقاف تشغيلها عند عدم إجراء القياسات.
لا يمكن لبعض الحلول الموجودة في السوق إيقاف تشغيل تيار NTC عند التشغيل في وضع البطارية. سيكون لديهم إما تسرب مفرط (يمكن أن يصل التسرب إلى أكثر من 200 A عندما تحتوي شبكة NTC على 20 كيلو أوم من جهد التحيز إلى الأرض) أو تتطلب إدخال / إخراج إضافي والتبديل لإغلاقه.
التحدي رقم 4: التصميم من أجل السلامة
عادةً ما يكون لدى الشركات المصنعة لحزم البطاريات إرشادات لشحن بطارياتها عند درجات حرارة مختلفة، ومن الضروري أن تظل البطارية في مناطق التشغيل الآمنة هذه أثناء الاستخدام. يتطلب البعض ملف تعريف قياسي حيث يتوقف الشحن خارج حدود درجات الحرارة الباردة والساخنة. قد يحتاج البعض الآخر إلى ملفات تعريف محددة من اليابان إلكتروني معلومات تكنولوجيا الجمعية مثلا. لكي تكون متوافقًا مع ملفات تعريف درجة الحرارة هذه، ابحث عن البطاريات ذات ملف التعريف المدمج الضروري أو بعض بطاريات I2البرمجة ج. يحتوي BQ21061 و BQ25155 على سجلات لضبط نافذة درجة الحرارة والإجراءات التي يجب اتخاذها في نطاقات درجات حرارة معينة.
يعد قفل الجهد المنخفض للبطارية (UVLO) ميزة أخرى للسلامة ، مما يحافظ على البطارية من الإفراط في التفريغ وبالتالي التعرض للضغط. يقطع UVLO مسار التفريغ بمجرد أن ينخفض جهد البطارية عن عتبة معينة. على سبيل المثال ، بالنسبة لبطارية Li-ion التي تحتوي على جهد شحن كامل 4.2 فولت ، فإن عتبة القطع الشائعة هي 2.8 فولت إلى 3 فولت.
التحدي رقم 5: ضمان موثوقية النظام
يمكن أن تتسبب موثوقية النظام المنخفضة في تعطل بعض المعالجات الدقيقة عندما يقوم المستهلك بتوصيل المحول. على الرغم من أن هذا نادر الحدوث ، إلا أنه يتطلب إعادة تعيين طاقة النظام حتى يتمكن المعالج الدقيق من إعادة التشغيل والعودة إلى الوضع الطبيعي. تدمج بعض شواحن البطاريات جهاز ضبط وقت مراقبة الأجهزة الذي يقوم بإعادة تعيين الأجهزة أو تدوير الطاقة إذا لم يكن الأمر كذلك2تم اكتشاف معاملة C لبعض الوقت بعد توصيل المستهلك بالمحول. عند إعادة ضبط النظام ، يفصل مسار الطاقة ويعيد توصيل البطارية والنظام.
على غرار جهاز ضبط وقت مراقبة الأجهزة ، يساعد مؤقت مراقبة البرامج التقليدي أيضًا على زيادة موثوقية النظام عن طريق إعادة تعيين سجلات الشاحن إلى القيم الافتراضية بعد فترة من عدم وجود معاملات في I2C. تمنع إعادة الضبط هذه الشحن الخاطئ للبطارية عندما يكون المعالج الدقيق في حالة خطأ.
التحدي رقم 6: مراقبة مناطق التشغيل المثلى
التحدي السادس هو مراقبة معلمات النظام ، والتي يمكن أن يقوم بها المحول التناظري الرقمي المدمج عالي الدقة (ADC) بكفاءة. يعد قياس جهد البطارية معلمة جيدة لأنه يعبر عن حالة شحن البطارية بشكل ملائم ، وإن كان بطريقة تقريبية. كقاعدة عامة ، ستحتاج إلى IC مخصص لقياس البطارية إذا كانت سماعة الرأس اللاسلكية تتطلب حالة شحن أعلى من ± 5٪.
يتيح لك ADC المدمج عالي الدقة أيضًا مراقبة درجة حرارة البطارية واللوحة أثناء الشحن والتفريغ واتخاذ الإجراءات. تشمل المعلمات الأخرى التي يمكن للشاحن مراقبتها جهد الدخل / التيار ، جهد الشحن / التيار وفولطية النظام. المقارنات المضمنة ملائمة أيضًا للمساعدة في مراقبة معلمات محددة وإرسال مقاطعة إلى المضيف. لا يتعين على المضيف قراءة المعلمات المهمة باستمرار إذا كانت المعلمات ضمن الحدود العادية ولا تؤدي إلى تشغيل المقارنات. يعد BQ25155 مثالًا جيدًا على الجهاز الذي يمكنه مراقبة معلمات النظام ، حيث يحتوي على ADC والمقارنات.
التحدي رقم 7: تسهيل الاتصال اللاسلكي السهل
الشكل 4: تقرير حالة شحن TWS على هاتف ذكي (الصورة: Texas Instruments Inc.)
تحتوي بعض سماعات الرأس اللاسلكية على ميزة لعرض حالة الشحن لكل من سماعات الأذن وعلبة الشحن على الهاتف الذكي عندما تكون سماعات الأذن في علبة الشحن والغطاء مفتوحًا. لدعم هذه الميزة ، يتعين على سماعات الأذن الإبلاغ عن حالة الشحن على الفور عند إدخالها في العلبة ، حتى لو كانت البطاريات فارغة تمامًا. يجب أن تكون الشريحة الرئيسية مستيقظة للإبلاغ عن حالة الشحن ، لذلك في هذه الحالة ، يجب على مصدر خارجي تشغيل سماعات الأذن. تعمل أجهزة الشحن التي تحتوي على مسار طاقة على تمكين النظام من الحصول على جهد أعلى من VBUS أثناء شحن البطارية بجهد أقل.
العديد من الميزات لشواحن سماعات الرأس اللاسلكية - مثل وضع الشحن، وإعادة ضبط طاقة النظام، وUVLO للبطارية، وتيار الإنهاء الدقيق، والتقارير الفورية عن حالة الشحن - غير ممكنة بدون ميزة مسار الطاقة، والتي تستلزم وضع MOSFET بين البطارية والنظام لإدارة مسارات النظام والبطارية بشكل منفصل. التين 5 يوضح أجهزة الشحن مع مسار الطاقة وبدونه.
من الشائع رؤية كل من أجهزة الشحن التحويلية والخطية في تصميم علبة الشحن ، اعتمادًا على حجم البطارية ومعدل الشحن. تتميز أجهزة التحويل بالكفاءة العالية وتولد حرارة أقل ، وهو أمر مهم للتيارات الكبيرة التي تبلغ 700 مللي أمبير وأعلى. عادةً ما يأتي تبديل أجهزة الشحن مع تعزيز متكامل أو وظيفة أثناء التنقل ، والتي يمكن أن تزيد من جهد البطارية لتوفير جهد إدخال لشحن سماعات الأذن. تعتبر أجهزة الشحن الخطية أيضًا اختيارات جيدة لحالات البطاريات عند المستويات الحالية المنخفضة ، لأنها توفر تكلفة منخفضة ومنخفضة IQ.
تواجه المعينات السمعية القابلة لإعادة الشحن تحديات تصميمية مماثلة. غالبًا ما تكون أصغر من سماعات الأذن بحيث تبدو غير مرئية، وبالتالي تحتاج إلى مزيد من تكامل الطاقة في منطقة أصغر. كما أنها تتطلب أيضًا قضبان طاقة منخفضة الضوضاء، بما في ذلك واحدة مزودة بمفتاح مكثف طوبولوجيا، للحصول على وضوح صوتي فائق.
الشكل 5: شواحن البطاريات مع أو بدون مسار طاقة (Texas Instruments Inc.)
سيظل IC لشاحن البطارية عنصرًا مهمًا في تصميمات منتجات TWS حيث يواصل المصنعون البحث عن تحسينات في الأداء والميزات والحجم. تأكد من التفكير في أجهزة الشحن عالية الأداء للتحديات التي تمت مناقشتها في هذه المقالة.
موارد إضافية
- اقرأ تقارير التطبيق هذه:
- "شحن عالي الكفاءة لـ TWS باستخدام واجهة ثنائية السنون."
- "BQ21061 تصميم عامل الشكل صغير الطبقة ثنائي الطبقات لثنائي الفينيل متعدد الكلور محسّن من حيث التكلفة."
- قم بتنزيل أداة الإعداد BQ25155 لإنشاء رمز متحكم دقيق للقيم المبرمجة.
- ابحث عن IC المناسب لشاحن البطارية TI لتصميمك التالي.
حول شركة Texas Instruments