Der Markt für True Wireless Stereo (TWS) ist explodiert und wächst seit der Veröffentlichung der Apple AirPods im Jahr 50 jedes Jahr um schätzungsweise mehr als 2016 %. Die Hersteller dieser beliebten drahtlosen Headsets fügen schnell weitere Funktionen hinzu (Noise Cancelling, Sleep and Gesundheitsüberwachung), um ihre Produkte zu differenzieren, aber das Hinzufügen all dieser Funktionen kann aus konstruktionstechnischer Sicht schwierig sein. In diesem Artikel werde ich diese Herausforderungen überprüfen.
Abb. 1: Beispiel einer True-Wireless-Stereo-Anwendung mit Ohrhörern und Ladeetui (Bild: Texas Instruments Inc.)
Herausforderung Nr. 1: Minimierung der Verlustleistung durch effizientes Laden
Eine Hauptherausforderung für kabellose Headsets besteht darin, eine längere Gesamtspielzeit zu erreichen, nachdem die Ohrhörer im Batteriefach vollständig aufgeladen wurden. In diesem Fall bedeutet eine längere Gesamtspielzeit die Anzahl der Zyklen, die die Hülle die Ohrhörer während ihrer gesamten Lebensdauer aufladen kann. Das Ziel ist ein hocheffizientes Laden bei gleichzeitiger Minimierung des Leistungsverlusts vom Ladeetui zu den Ohrhörern.
Der Ladekoffer gibt a . aus Spannung, abgeleitet von seinem Akku, der als Eingang zum Aufladen der Ohrhörer dient. Das typische Schema ist ein Schub Konverter die feste 5 V ausgibt, was eine einfache Lösung ist, aber die Ladeeffizienz nicht optimiert. Da Ohrhörer sehr kleine Batterien haben, verwenden Designer oft lineare Ladegeräte. Die Ladeeffizienz bei Verwendung eines festen 5-V-Eingangs ist gering – ungefähr (VIN-VBAT)/VIN – und erzeugt eine große Dropout-Spannung an der Batterie. Bei einer durchschnittlichen Lithium-Ionen (Li-Ion)-Batteriespannung von 3.6 V (halbentladen) beträgt der Wirkungsgrad bei einem 5-V-Eingang nur 72 %.
Umgekehrt entsteht durch die Verwendung eines einstellbaren Ausgangsboosts oder eines Buck-Boost-Wandlers im Ladekoffer eine Spannung, die nur knapp über dem typischen Spannungsbereich der Ohrhörer liegt. Dies erfordert eine Kommunikation vom Ladeetui zu den Ohrhörern, wodurch sich die Ausgangsspannung des Ladeetuis bei steigender Spannung dynamisch an den Akku der Ohrhörer anpassen kann. Dies minimiert den Dropout, erhöht die Ladeeffizienz und reduziert die Wärme erheblich. Abb.. 2 zeigt ein Beispiel für ein solches System.
Abb. 2: Hocheffizientes Ladesystem für ein kabelloses Headset mit zweipoliger Schnittstelle (Quelle: TI-Anwendungsbericht SLUAA04)
Herausforderung Nr. 2: Verringern der Gesamtgröße der Lösung, ohne Funktionen zu entfernen
Die zweite Herausforderung ist eine universelle für kleine Batteriedesigns – wie man sowohl eine kleine Größe als auch eine größere Funktionalität entwickelt. Die einfache Lösung besteht hier darin, Geräte mit mehr integrierten Komponenten zu wählen. Beispielsweise:
- Für kabellose Headsets bietet sich ein leistungsstarkes Linearladegerät an, das zusätzliche Stromschienen zur Versorgung der Hauptsystemblöcke integriert.
- Für stromhungrige und Niederspannungsblöcke wie Prozessoren und drahtlose Kommunikationsmodule sind Schaltschienen die beste Wahl für die Effizienz.
- Aussichten für Sensor Blöcke, die nicht viel Strom benötigen, aber ein geringes Rauschen erfordern, sollten Regler mit niedrigem Dropout in Betracht ziehen.
- Wenn das kabellose Headset analoge Front-End-Sensoren zur Messung von Blutsauerstoff und Herzfrequenz integriert, benötigen Sie möglicherweise auch einen Aufwärtswandler.
Die Integration zusätzlicher Stromschienen in das Ladegerät ermöglicht einen kleineren Formfaktor. Es gibt jedoch immer einen Kompromiss zwischen der Integration von mehr, um kleiner zu werden, oder der Verwendung diskreterer integrierter Schaltungen (ICs), um Flexibilität zu gewinnen.
Herausforderung Nr. 3: Standby-Zeit verlängern
Die Standby-Zeit ist wichtig, da Verbraucher erwarten, dass ihre Headsets auch nach längerem Leerlauf außerhalb des Ladekoffers bereit sind, Musik abzuspielen. Erwägen Sie den Einsatz von Li-Ionen-Zellen mit höherer Energiedichte in den Ohrhörern, die normalerweise mit höheren Spannungen wie 4.35 V und 4.4 V ausgestattet sind und somit mehr Energie packen. Eine vollständigere Aufladung verlängert auch die Standby-Zeit. Ein Batterieladegerät, das einen kleinen Terminierungsstrom mit hoher Genauigkeit bietet, hilft auch, die Standby-Zeit zu verlängern. Wenn die Terminierungsstromspezifikation stark schwankt, kann es sein, dass der Terminierungsstrom höher liegt, was zu einer vorzeitigen Terminierung und einer unzureichend geladenen Batterie führt.
Abb.. 3 zeigt einen Fall, in dem ein 41-mAh-Akku bei 1 mA gegenüber 4 mA endet. Wenn der nominale 1-mA-Terminierungsstrom stark schwankt und tatsächlich bei 4 mA endet, bleibt eine 2-mAh-Batteriekapazität ungenutzt. Ein niedrigerer Terminierungsstrom und eine höhere Genauigkeit erhöhen die effektive Batteriekapazität.
Abb. 3: Ein 41-mAh-Akku mit einem nominalen Abschlussstrom von 1 mA endet tatsächlich bei 4 mA. (Bild: Texas Instruments Inc.)
Niedriger Ruhestrom (IQ) in verschiedenen Arbeitsmodi ist auch wichtig, um die Standby-Zeiten zu verlängern. Ein Ladegerät IC mit einem Strompfad und nahezu null Strom im Schiffsmodus verhindert, dass sich die Batterie entlädt, bevor das Produkt beim Verbraucher ankommt, und unterstützt so die sofortige Verwendung. Der Strompfad beinhaltet die Platzierung eines Metalloxids Halbleiter Feldeffekt Transistor (MOSFET) zwischen Batterie und System, um das System und die Batteriepfade getrennt zu verwalten.
Wenn die Ohrhörer Musik abspielen oder im Leerlauf sind, muss der Stromverbrauch des Systems so gering wie möglich sein. Suchen Sie nach einem Ladegerät mit niedrigem IQ und minimiert auch den I . des SystemsQ. Zum Beispiel benötigen Batterieladegeräte oft einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) Widerstand Netzwerk, um die Batterietemperatur zu messen. Die Ladegeräte BQ21061 und BQ25155 von Texas Instruments beispielsweise integrieren eine Stromquelle zum Vorspannen des Widerstandsnetzwerks, das ausgeschaltet sein kann, wenn keine Messungen durchgeführt werden.
Einige Lösungen auf dem Markt können den NTC-Strom im Batteriebetrieb nicht abschalten. Sie weisen entweder einen übermäßigen Leckstrom auf (der Leckstrom kann mehr als 200 µA erreichen, wenn das NTC-Netzwerk 20 kΩ von der Vorspannung gegen Masse hat) oder erfordern einen zusätzlichen Eingang/Ausgang und einen Schalter, um ihn abzuschalten.
Herausforderung Nr. 4: Design für Sicherheit
Hersteller von Akkupacks haben in der Regel Richtlinien zum Laden ihrer Akkus bei unterschiedlichen Temperaturen und es ist zwingend erforderlich, dass der Akku während des Gebrauchs in diesen sicheren Betriebszonen bleibt. Einige erfordern ein Standardprofil, bei dem der Ladevorgang außerhalb der kalten und heißen Temperaturgrenzen stoppt. Andere benötigen möglicherweise spezielle Profile aus Japan elektronisch Informationen Technologie Verein zum Beispiel. Um diese Temperaturprofile einzuhalten, suchen Sie nach Batterien mit dem erforderlichen integrierten Profil oder einem solchen2C-Programmierbarkeit. Die Modelle BQ21061 und BQ25155 verfügen über Register zum Einstellen des Temperaturfensters und der Aktionen für bestimmte Temperaturbereiche.
Die Batterieunterspannungssperre (UVLO) ist eine weitere Sicherheitsfunktion, die verhindert, dass die Batterie zu stark entladen und dadurch belastet wird. UVLO unterbricht den Entladepfad, sobald die Batteriespannung einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet. Bei einem Lithium-Ionen-Akku mit einer vollen Ladespannung von 4.2 V liegt beispielsweise ein üblicher Abschaltschwellenwert bei 2.8 V bis 3 V.
Herausforderung Nr. 5: Sicherstellung der Systemzuverlässigkeit
Eine geringe Systemzuverlässigkeit kann dazu führen, dass einige Mikroprozessoren hängen bleiben, wenn der Verbraucher den Adapter einsteckt. Dies kommt zwar selten vor, erfordert jedoch ein Zurücksetzen der Systemstromversorgung, damit der Mikroprozessor neu starten und zum Normalzustand zurückkehren kann. Einige Batterieladegeräte integrieren einen Watchdog-Timer für den Hardware-Reset, der einen Hardware-Reset oder Aus- und Wiedereinschalten durchführt, wenn kein I2C-Transaktion wird für einige Zeit erkannt, nachdem der Consumer den Adapter eingesteckt hat. Beim Zurücksetzen des Systems trennt der Strompfad die Batterie und das System und verbindet sie wieder.
Ähnlich wie ein Hardware-Reset-Watchdog-Timer trägt auch ein herkömmlicher Software-Watchdog-Timer zur Erhöhung der Systemzuverlässigkeit bei, indem die Laderegister nach einer Zeit ohne Transaktionen in I . auf die Standardwerte zurückgesetzt werden2C. Dieses Zurücksetzen verhindert ein falsches Laden der Batterie, wenn sich der Mikroprozessor in einem Fehlerzustand befindet.
Herausforderung Nr. 6: Überwachung optimaler Betriebszonen
Die sechste Herausforderung besteht darin, die Systemparameter zu überwachen, was ein eingebauter hochpräziser Analog-Digital-Wandler (ADC) effizient erledigen kann. Die Messung der Batteriespannung ist ein guter Parameter, da sie den Ladezustand der Batterie bequem, wenn auch ungefähr, ausdrückt. Als Faustregel gilt, dass Sie einen dedizierten IC mit Batterieanzeige benötigen, wenn das kabellose Headset einen Ladezustand von mehr als ±5 % benötigt.
Ein hochpräziser eingebauter ADC ermöglicht es Ihnen auch, die Temperatur von Akku und Platine während des Ladens und Entladens zu überwachen und Maßnahmen zu ergreifen. Andere Parameter, die ein Ladegerät überwachen kann, umfassen Eingangsspannung/-strom, Ladespannung/-strom und Systemspannung. Integrierte Komparatoren sind auch praktisch, um bestimmte Parameter zu überwachen und einen Interrupt an den Host zu senden. Der Host muss die interessierenden Parameter nicht ständig lesen, wenn die Parameter innerhalb der normalen Grenzen liegen und die Komparatoren nicht auslösen. Der BQ25155 ist ein gutes Beispiel für ein Gerät, das Systemparameter überwachen kann, da es über einen ADC und Komparatoren verfügt.
Herausforderung Nr. 7: Einfache drahtlose Konnektivität ermöglichen
Abb. 4: TWS-Ladezustandsbericht auf einem Smartphone (Bild: Texas Instruments Inc.)
Einige kabellose Headsets verfügen über eine Funktion zum Anzeigen des Ladezustands der Ohrhörer und der Ladehülle auf einem Smartphone, wenn sich die Ohrhörer in der Ladehülle befinden und der Deckel geöffnet ist. Um diese Funktion zu unterstützen, müssen die Ohrhörer beim Einsetzen in die Hülle sofort den Ladezustand melden, auch wenn die Akkus tiefentladen sind. Der Hauptchip muss wach sein, um den Ladezustand zu melden, daher muss in diesem Fall eine externe Quelle die Ohrhörer mit Strom versorgen. Ladegeräte, die über einen Strompfad verfügen, ermöglichen dem System eine höhere Spannung von VBUS, während die Batterie mit einer niedrigeren Spannung geladen wird.
Mehrere Funktionen für Ladegeräte für drahtlose Headsets – wie Schiffsmodus, System-Power-Reset, Batterie-UVLO, genauer Abschlussstrom und sofortige Ladezustandsmeldung – sind ohne eine Strompfadfunktion nicht möglich, was die Platzierung eines erfordert MOSFET zwischen Batterie und System, um die System- und Batteriepfade getrennt zu verwalten. Abb.. 5 zeigt Ladegeräte mit und ohne Strompfad.
Es ist üblich, je nach Batteriegröße und Laderate sowohl Schalt- als auch Linearladegeräte in einem Ladekoffer-Design zu sehen. Schaltladegeräte haben einen höheren Wirkungsgrad und erzeugen weniger Wärme, was bei großen Strömen ab 700 mA wichtig ist. Wechselladegeräte verfügen normalerweise über eine integrierte Boost- oder On-the-Go-Funktion, die die Akkuspannung erhöhen kann, um eine Eingangsspannung zum Laden der Ohrhörer bereitzustellen. Lineare Ladegeräte sind auch eine gute Wahl für Batteriegehäuse mit niedrigeren Stromstärken, da sie niedrige Kosten und einen niedrigen I . bietenQ.
Bei wiederaufladbaren Hörgeräten bestehen ähnliche Designherausforderungen. Sie sind oft kleiner als Ohrhörer, sodass sie unsichtbar erscheinen, und benötigen daher eine stärkere Leistungsintegration auf kleinerer Fläche. Sie benötigen außerdem geräuscharme Stromschienen, darunter eine mit Schalter Kondensator Topologie für überragende Audioklarheit.
Abb. 5: Ladegeräte mit und ohne Strompfad (Texas Instruments Inc.)
Der Batterielade-IC wird ein wichtiges Element im TWS-Produktdesign bleiben, da die Hersteller weiterhin nach Leistungs-, Funktions- und Größenverbesserungen suchen. Ziehen Sie für die in diesem Artikel besprochenen Herausforderungen unbedingt Hochleistungsladegeräte in Betracht.
Zusätzliche Ressourcen
- Lesen Sie diese Anwendungsberichte:
- „Hocheffizientes Laden für TWS mit einer 2-Pin-Schnittstelle.“
- „BQ21061 Zweischichtiges Small-Form-Factor-Design für kostenoptimierte PCBs.“
- Laden Sie das Setup-Tool BQ25155 herunter, um einen Mikrocontroller-Code für programmierte Werte zu generieren.
- Suchen Sie nach dem richtigen TI Batterielade-IC für Ihr nächstes Design.
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