El verdadero mercado de estéreo inalámbrico (TWS) se ha disparado, creciendo a una tasa estimada de más del 50% cada año desde el lanzamiento de Apple AirPods en 2016. Los fabricantes de estos populares auriculares inalámbricos están agregando rápidamente más funciones (cancelación de ruido, suspensión y monitoreo de salud) para diferenciar sus productos, pero agregar todas estas características puede ser difícil desde una perspectiva de ingeniería de diseño. En este artículo, revisaré estos desafíos.
Fig.1: Ejemplo de una verdadera aplicación estéreo inalámbrica con auriculares y estuche de carga (Imagen: Texas Instruments Inc.)
Desafío n. ° 1: minimizar la pérdida de energía con una carga eficiente
Un desafío principal para los auriculares inalámbricos es lograr un tiempo total de reproducción más prolongado después de cargar completamente los auriculares en la caja de la batería. En este caso, un tiempo total de reproducción más largo se traduce en la cantidad de ciclos que la funda puede cargar los auriculares durante su vida útil. El objetivo es lograr una carga de alta eficiencia mientras se minimiza la pérdida de energía del estuche de carga a los auriculares.
El estuche de carga emite un voltaje, derivado de su batería, que sirve como entrada para cargar los auriculares. El esquema típico es un impulso convertidor que genera una salida fija de 5 V, que es una solución simple pero no optimiza la eficiencia de carga. Debido a que los auriculares tienen baterías muy pequeñas, los diseñadores a menudo emplean cargadores lineales. La eficiencia de carga cuando se usa una entrada fija de 5 V es baja, aproximadamente (VIN-VBAT) / VIN - y crea una gran caída de voltaje en la batería. Conectando el voltaje promedio de la batería de iones de litio (Li-ion) de 3.6 V (medio descargado), la eficiencia con una entrada de 5 V llega a una carga del 72%.
Por el contrario, el uso de un aumento de salida ajustable o un convertidor reductor-elevador en el estuche de carga crea un voltaje apenas por encima del rango de voltaje típico de los auriculares. Esto requiere comunicación desde el estuche de carga a los auriculares, lo que permite que el voltaje de salida del estuche de carga se ajuste dinámicamente a la batería de los auriculares a medida que aumenta el voltaje. Esto minimizará la caída, aumentará la eficiencia de carga y reducirá el calor significativamente. muestra un ejemplo de tal sistema.
Fig.2: Sistema de carga de alta eficiencia para auriculares inalámbricos mediante una interfaz de dos pines (Fuente: informe de la aplicación TI SLUAA04)
Desafío n. ° 2: Reducir el tamaño total de la solución sin eliminar funciones
El segundo desafío es universal para los diseños de baterías pequeñas: cómo diseñar tanto para un tamaño pequeño como para una mayor funcionalidad. La solución simple aquí es elegir dispositivos con componentes más integrados. Por ejemplo:
- Un cargador lineal de alto rendimiento que integra rieles de alimentación adicionales para alimentar los bloques del sistema principal es una buena opción para los auriculares inalámbricos.
- Para bloques de bajo voltaje y consumidores de energía, como procesadores y módulos de comunicación inalámbrica, los rieles de conmutación son la mejor opción para la eficiencia.
- sensor bloques que no necesitan mucha energía pero que requieren poco ruido, considere los reguladores de baja caída.
- Si los auriculares inalámbricos integran sensores frontales analógicos para medir el oxígeno en sangre y la frecuencia cardíaca, es posible que también necesite un convertidor de refuerzo.
La integración de rieles de alimentación adicionales en el cargador permite un factor de forma más pequeño. Sin embargo, siempre existe una compensación entre integrar más para reducir el tamaño y usar circuitos integrados más discretos (IC) para ganar flexibilidad.
Desafío n. ° 3: extender el tiempo de espera
El tiempo de espera es importante porque los consumidores esperan que sus auriculares estén listos para reproducir música incluso después de estar inactivos durante mucho tiempo fuera del estuche de carga. Considere emplear celdas de iones de litio de mayor densidad de energía en los auriculares, que generalmente vienen con voltajes más altos, como 4.35 V y 4.4 V, y por lo tanto contienen más energía. Una carga más completa también aumentará el tiempo de espera. Un cargador de batería que cuenta con una pequeña corriente de terminación con alta precisión también ayudará a extender el tiempo de espera. Si la especificación de la corriente de terminación tiene una amplia variación, puede terminar obteniendo la corriente de terminación en el lado superior, lo que da como resultado una terminación anticipada y una batería con poca carga.
muestra un caso en el que una batería de 41 mAh termina en 1 mA frente a 4 mA. Si la corriente de terminación nominal de 1 mA tiene una amplia variación y en realidad termina en 4 mA, la capacidad de la batería de 2 mAh permanecerá sin explotar. Una corriente de terminación más baja y una mayor precisión aumentan la capacidad efectiva de la batería.
Fig. 3: Una batería de 41 mAh con una corriente de terminación nominal de 1 mA en realidad termina en 4 mA. (Imagen: Texas Instruments Inc.)
Baja corriente de reposo (IQ) en diferentes modos de trabajo también es importante para ayudar a extender los tiempos de espera. Un cargador IC con una ruta de alimentación y una corriente de modo de envío casi nula evitará que la batería se agote antes de que el producto llegue al consumidor, lo que permite un uso inmediato. La ruta de energía implica la colocación de un óxido de metal Semiconductores efecto de campo Transistor (mosfet) entre la batería y el sistema para gestionar el sistema y las rutas de la batería por separado.
Cuando los auriculares reproducen música o están inactivos, el consumo de corriente del sistema debe ser lo más pequeño posible. Busque un cargador que tenga un bajo IQ y también minimiza la I del sistemaQ. Por ejemplo, los cargadores de baterías a menudo necesitan un coeficiente de temperatura negativo (NTC) Resistencia red para medir la temperatura de la batería. Los cargadores BQ21061 y BQ25155 de Texas Instruments, por ejemplo, integran una fuente de corriente para polarizar la red de resistencias, que puede apagarse cuando no se toman medidas.
Algunas soluciones en el mercado no pueden apagar la corriente NTC cuando operan en modo batería. Tendrán una fuga excesiva (la fuga puede llegar a más de 200 µA cuando la red NTC tiene 20 kΩ desde el voltaje de polarización a tierra) o requerirán una entrada / salida adicional y un interruptor para apagarla.
Desafío n. ° 4: Diseñar para la seguridad
Los fabricantes de paquetes de baterías suelen tener pautas para cargar sus baterías a diferentes temperaturas, y es imperativo que la batería permanezca en estas zonas operativas seguras mientras está en uso. Algunos requieren un perfil estándar donde la carga se detiene fuera de los límites de temperatura fría y caliente. Otros pueden requerir perfiles específicos de Japón. Electronic Información Tecnología Asociación, por ejemplo. Para cumplir con estos perfiles de temperatura, busque baterías con el perfil incorporado necesario o algunos I2Programabilidad en C. Los modelos BQ21061 y BQ25155 tienen registros para configurar la ventana de temperatura y las acciones a tomar en rangos de temperatura específicos.
El bloqueo por subtensión de la batería (UVLO) es otra característica de seguridad, que evita que la batería se descargue en exceso y, por lo tanto, se estrese. UVLO corta la ruta de descarga una vez que el voltaje de la batería desciende por debajo de cierto umbral. Por ejemplo, para una batería de iones de litio que tiene un voltaje de carga completa de 4.2 V, un umbral de corte común es de 2.8 V a 3 V.
Desafío n. ° 5: garantizar la confiabilidad del sistema
La baja confiabilidad del sistema puede hacer que algunos microprocesadores se atasquen cuando el consumidor conecta el adaptador. Aunque esto es raro, requiere un reinicio de energía del sistema para que el microprocesador pueda reiniciarse y volver a la normalidad. Algunos cargadores de batería integran un temporizador de vigilancia de reinicio de hardware que realiza un reinicio de hardware o un ciclo de energía si no2La transacción C se detecta durante algún tiempo después de que el consumidor conecta el adaptador. Tras el reinicio del sistema, la ruta de alimentación se desconecta y vuelve a conectar la batería y el sistema.
Similar a un temporizador de vigilancia de restablecimiento de hardware, un temporizador de vigilancia de software tradicional también ayuda a aumentar la confiabilidad del sistema al restablecer los registros del cargador a los valores predeterminados después de un período sin transacciones en I2C. Este reinicio evita la carga falsa de la batería cuando el microprocesador está en una condición de falla.
Desafío n. ° 6: Monitoreo de zonas operativas óptimas
El sexto desafío es monitorear los parámetros del sistema, lo que un convertidor analógico a digital (ADC) de alta precisión incorporado puede hacer de manera eficiente. Medir el voltaje de la batería es un buen parámetro porque expresa el estado de carga de la batería de manera conveniente, aunque de forma aproximada. Como regla general, necesitará un IC de indicador de batería dedicado si los auriculares inalámbricos requieren un estado de carga superior a ± 5%.
Un ADC incorporado de alta precisión también le permite monitorear la temperatura de la batería y la placa durante la carga y descarga y tomar medidas. Otros parámetros que puede monitorear un cargador incluyen voltaje / corriente de entrada, voltaje / corriente de carga y voltaje del sistema. Los comparadores incorporados también son convenientes para ayudar a monitorear parámetros específicos y enviar una interrupción al host. El host no tiene que leer los parámetros de interés constantemente si los parámetros están dentro de los límites normales y no activan los comparadores. El BQ25155 es un buen ejemplo de un dispositivo que puede monitorear los parámetros del sistema, ya que tiene un ADC y comparadores.
Desafío n. ° 7: facilitar la conectividad inalámbrica
Fig.4: Informe de estado de carga de TWS en un teléfono inteligente (Imagen: Texas Instruments Inc.)
Algunos auriculares inalámbricos tienen una función para mostrar el estado de carga de los auriculares y el estuche de carga en un teléfono inteligente cuando los auriculares están en el estuche de carga y la tapa está abierta. Para admitir esta función, los auriculares deben informar el estado de carga al instante cuando se insertan en el estuche, incluso si las baterías están muy descargadas. El chip principal debe estar activo para informar el estado de carga, por lo que, en este caso, una fuente externa debe alimentar los auriculares. Los cargadores que tienen una ruta de alimentación permiten que el sistema tenga un voltaje más alto de VBUS mientras carga la batería a un voltaje más bajo.
Varias funciones de los cargadores de auriculares inalámbricos (como el modo de envío, el restablecimiento de la alimentación del sistema, la UVLO de la batería, la corriente de terminación precisa y los informes instantáneos del estado de carga) no son posibles sin una función de ruta de alimentación, que implica la colocación de un MOSFET entre la batería y el sistema para gestionar las rutas del sistema y de la batería por separado. ilustra cargadores con y sin la ruta de alimentación.
Es común ver cargadores lineales y de conmutación en un diseño de estuche de carga, según el tamaño de la batería y la velocidad de carga. Los cargadores conmutados tienen una mayor eficiencia y generan menos calor, lo cual es importante para corrientes grandes de 700 mA y más. Los cargadores de conmutación generalmente vienen con una función integrada de refuerzo o sobre la marcha, que puede aumentar el voltaje de la batería para proporcionar un voltaje de entrada para que se carguen los auriculares. Los cargadores lineales también son buenas opciones para carcasas de baterías a niveles de corriente más bajos, ya que ofrecen bajo costo y bajo costo de IQ.
Los audífonos recargables enfrentan desafíos de diseño similares. A menudo son más pequeños que los auriculares para parecer invisibles y, por lo tanto, necesitan una mayor integración de energía en un área más pequeña. También requieren carriles eléctricos silenciosos, incluido uno con interruptor condensador topología, para una claridad de audio superior.
Fig.5: Cargadores de batería con y sin ruta de alimentación (Texas Instruments Inc.)
El CI del cargador de batería seguirá siendo un elemento importante en los diseños de productos de TWS a medida que los fabricantes continúen buscando mejoras de rendimiento, características y tamaño. Asegúrese de considerar los cargadores de alto rendimiento para los desafíos discutidos en este artículo.
Recursos adicionales
- Lea estos informes de aplicaciones:
- "Carga de alta eficiencia para TWS mediante una interfaz de 2 pines".
- "BQ21061 Diseño de factor de forma pequeño de dos capas para PCB con costos optimizados".
- Descargue la herramienta de configuración BQ25155 para generar un código de microcontrolador para los valores programados.
- Busque el CI de cargador de batería de TI adecuado para su próximo diseño.
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