Le véritable marché de la stéréo sans fil (TWS) a explosé, avec une croissance estimée à plus de 50 % chaque année depuis la sortie des AirPod d'Apple en 2016. Les fabricants de ces casques sans fil populaires ajoutent rapidement plus de fonctionnalités (annulation du bruit, veille et surveillance de la santé) pour différencier leurs produits, mais l'ajout de toutes ces fonctionnalités peut être difficile du point de vue de l'ingénierie de conception. Dans cet article, je vais passer en revue ces défis.
Fig. 1 : Exemple d'une véritable application stéréo sans fil avec écouteurs et étui de chargement (Image : Texas Instruments Inc.)
Défi n°1 : Minimiser les pertes de puissance grâce à une charge efficace
Un défi principal pour les casques sans fil est d'obtenir une durée de lecture totale plus longue après avoir complètement chargé les écouteurs dans le boîtier de la batterie. Dans ce cas, un temps de lecture total plus long se traduit par le nombre de cycles pendant lesquels l'étui peut charger les écouteurs tout au long de sa durée de vie. L'objectif est d'obtenir une charge à haute efficacité tout en minimisant la perte de puissance de l'étui de charge aux écouteurs.
Le boîtier de charge émet un Tension, dérivé de sa batterie, qui sert d'entrée pour charger les écouteurs. Le schéma typique est un coup de pouce convertisseur qui délivre un 5 V fixe, ce qui est une solution simple mais n'optimise pas l'efficacité de charge. Parce que les écouteurs ont de très petites batteries, les concepteurs utilisent souvent des chargeurs linéaires. L'efficacité de charge lors de l'utilisation d'une entrée fixe de 5 V est faible - environ (VIN-VMTD)/VIN – et crée une tension de chute importante sur la batterie. En branchant la tension moyenne de la batterie lithium-ion (Li-ion) de 3.6 V (à moitié déchargée), l'efficacité avec une entrée de 5 V n'atteint qu'une charge de 72 %.
Inversement, l'utilisation d'un boost de sortie réglable ou d'un convertisseur buck-boost dans le boîtier de charge crée une tension à peine supérieure à la plage de tension typique des écouteurs. Cela nécessite une communication entre l'étui de charge et les écouteurs, ce qui permet à la tension de sortie de l'étui de charge de s'ajuster dynamiquement à la batterie des écouteurs à mesure que la tension augmente. Cela minimisera les pertes, augmentera l'efficacité de la charge et réduira considérablement la chaleur. Fig. 2 montre un exemple d'un tel système.
Fig. 2 : Système de charge à haute efficacité pour un casque sans fil utilisant une interface à deux broches (Source : rapport d'application TI SLUAA04)
Défi n ° 2: Réduction de la taille globale de la solution sans suppression de fonctionnalités
Le deuxième défi est universel pour les conceptions de petites batteries - comment concevoir à la fois une petite taille et une plus grande fonctionnalité. La solution simple ici est de choisir des appareils avec des composants plus intégrés. Par example:
- Un chargeur linéaire hautes performances qui intègre des rails d'alimentation supplémentaires pour alimenter les principaux blocs du système est une bonne option pour les casques sans fil.
- Pour les blocs énergivores et basse tension tels que les processeurs et les modules de communication sans fil, les rails de commutation sont le meilleur choix pour l'efficacité.
- Pour capteur blocs qui n'ont pas besoin de beaucoup de puissance mais qui nécessitent un faible bruit, pensez à des régulateurs à faible chute de tension.
- Si le casque sans fil intègre des capteurs frontaux analogiques pour mesurer l'oxygène dans le sang et la fréquence cardiaque, vous aurez peut-être également besoin d'un convertisseur boost.
L'intégration de rails d'alimentation supplémentaires dans le chargeur permet un facteur de forme plus petit. Cependant, il y a toujours un compromis entre intégrer davantage pour réduire la taille et utiliser des circuits intégrés (CI) plus discrets pour gagner en flexibilité.
Défi n°3 : Allonger l'autonomie en veille
Le temps de veille est important car les consommateurs s'attendent à ce que leurs casques soient prêts à jouer de la musique même après une longue période d'inactivité en dehors du boîtier de charge. Envisagez d'utiliser des cellules Li-ion à densité énergétique plus élevée dans les écouteurs, qui sont généralement livrées avec des tensions plus élevées comme 4.35 V et 4.4 V, et contiennent ainsi plus d'énergie. Une charge plus complète augmentera également le temps de veille. Un chargeur de batterie doté d'un faible courant de terminaison avec une grande précision aidera également à prolonger le temps de veille. Si la spécification du courant de terminaison présente une grande variation, vous pouvez finir par obtenir le courant de terminaison du côté le plus élevé, ce qui entraîne une terminaison prématurée et une batterie sous-chargée.
Fig. 3 montre un cas où une batterie de 41 mAh se termine à 1 mA contre 4 mA. Si le courant de terminaison nominal de 1 mA a une grande variation et se termine en fait à 4 mA, une capacité de batterie de 2 mAh restera inexploitée. Un courant de terminaison plus faible et une précision plus élevée augmentent la capacité effective de la batterie.
Fig. 3 : Une batterie de 41 mAh avec un courant de terminaison nominal de 1 mA se termine en fait à 4 mA. (Image : Texas Instruments Inc.)
Faible courant de repos (IQ) dans différents modes de travail est également important pour aider à prolonger les temps de veille. Un chargeur IC avec un chemin d'alimentation et un courant de mode bateau presque nul empêchera la batterie de se décharger avant que le produit n'arrive au consommateur, ce qui permet une utilisation immédiate. Le chemin d'alimentation implique la mise en place d'un oxyde métallique Semi-conducteurs Effet de champ Transistor (mosfet) entre la batterie et le système pour gérer le système et les chemins de batterie séparément.
Lorsque les écouteurs jouent de la musique ou sont inactifs, la consommation de courant du système doit être aussi faible que possible. Recherchez un chargeur qui a un faible IQ et minimise également le système IQ. Par exemple, les chargeurs de batterie ont souvent besoin d'un coefficient de température négatif (NTC) Resistor réseau pour mesurer la température de la batterie. Les chargeurs BQ21061 et BQ25155 de Texas Instruments, par exemple, intègrent une source de courant pour polariser le réseau de résistances, qui peut être éteint lorsqu'on ne prend pas de mesures.
Certaines solutions du marché ne permettent pas de couper le courant NTC lors d'un fonctionnement en mode batterie. Ils auront soit des fuites excessives (la fuite peut atteindre plus de 200 µA lorsque le réseau NTC a 20 kΩ de la tension de polarisation à la terre) ou nécessiteront une entrée/sortie supplémentaire et un commutateur pour l'éteindre.
Défi n°4 : Concevoir pour la sécurité
Les fabricants de batteries ont généralement des directives pour charger leurs batteries à différentes températures, et il est impératif que la batterie reste dans ces zones de fonctionnement sûres pendant son utilisation. Certains nécessitent un profil standard dans lequel la charge s’arrête en dehors des limites de température froide et chaude. D'autres peuvent exiger des profils spécifiques du Japon Electronique Informations Technologie Association, par exemple. Pour être conforme à ces profils de température, recherchez des batteries avec le profil intégré nécessaire ou certaines I2C programmabilité. Les BQ21061 et BQ25155 ont des registres pour définir la fenêtre de température et les actions à entreprendre dans des plages de température spécifiques.
Le verrouillage de sous-tension de la batterie (UVLO) est une autre caractéristique de sécurité, empêchant la batterie de se décharger excessivement et donc d'être stressée. UVLO coupe le chemin de décharge une fois que la tension de la batterie passe en dessous d'un certain seuil. Par exemple, pour une batterie Li-ion qui a une tension de charge complète de 4.2 V, un seuil de coupure commun est de 2.8 V à 3 V.
Défi n°5 : Assurer la fiabilité du système
Une faible fiabilité du système peut entraîner le blocage de certains microprocesseurs lorsque le consommateur branche l'adaptateur. Bien que cela soit rare, cela nécessite une réinitialisation de l'alimentation du système afin que le microprocesseur puisse redémarrer et revenir à la normale. Certains chargeurs de batterie intègrent une minuterie de chien de garde de réinitialisation matérielle qui effectue une réinitialisation matérielle ou un cycle d'alimentation si non.2La transaction C est détectée pendant un certain temps après que le consommateur a branché l'adaptateur. Lors de la réinitialisation du système, le chemin d'alimentation déconnecte et reconnecte la batterie et le système.
Semblable à une minuterie de chien de garde à réinitialisation matérielle, une minuterie de chien de garde logicielle traditionnelle contribue également à augmenter la fiabilité du système en réinitialisant les registres du chargeur aux valeurs par défaut après une période d'absence de transaction dans I2C. Cette réinitialisation empêche une fausse charge de la batterie lorsque le microprocesseur est en panne.
Défi n°6 : Surveillance des zones d'exploitation optimales
Le sixième défi consiste à surveiller les paramètres du système, ce qu'un convertisseur analogique-numérique (CAN) intégré de haute précision peut faire efficacement. La mesure de la tension de la batterie est un bon paramètre car elle exprime l'état de charge de la batterie de manière pratique, bien que de manière approximative. En règle générale, vous aurez besoin d'un circuit intégré de jauge de batterie dédié si le casque sans fil nécessite un état de charge supérieur à ± 5 %.
Un CAN intégré de haute précision vous permet également de surveiller la température de la batterie et de la carte pendant la charge et la décharge et de prendre des mesures. Les autres paramètres qu'un chargeur peut surveiller comprennent la tension/le courant d'entrée, la tension/le courant de charge et la tension du système. Les comparateurs intégrés sont également pratiques pour aider à surveiller des paramètres spécifiques et envoyer une interruption à l'hôte. L'hôte n'a pas à lire les paramètres d'intérêt en permanence si les paramètres sont dans les limites normales et ne déclenchent pas les comparateurs. Le BQ25155 est un bon exemple d'appareil capable de surveiller les paramètres du système, car il possède un CAN et des comparateurs.
Défi n° 7 : Faciliter la connectivité sans fil
Fig. 4 : Rapport d'état de charge TWS sur un smartphone (Image : Texas Instruments Inc.)
Certains casques sans fil ont une fonction permettant d'afficher l'état de charge des écouteurs et de l'étui de charge sur un smartphone lorsque les écouteurs sont dans l'étui de charge et que le couvercle est ouvert. Pour prendre en charge cette fonctionnalité, les écouteurs doivent signaler l'état de charge instantanément lorsqu'ils sont insérés dans le boîtier, même si les batteries sont profondément déchargées. La puce principale doit être éveillée pour signaler l'état de charge, donc dans ce cas, une source externe doit alimenter les écouteurs. Les chargeurs qui ont un chemin d'alimentation permettent au système d'avoir une tension plus élevée de VBUS tout en chargeant la batterie à une tension plus basse.
Plusieurs fonctionnalités des chargeurs de casques sans fil – telles que le mode navire, la réinitialisation de l'alimentation du système, l'UVLO de la batterie, le courant de terminaison précis et les rapports instantanés sur l'état de charge – ne sont pas possibles sans une fonction de chemin d'alimentation, qui implique le placement d'un MOSFET entre la batterie et le système pour gérer séparément les chemins du système et de la batterie. Fig. 5 illustre les chargeurs avec et sans le chemin d'alimentation.
Il est courant de voir à la fois des chargeurs à découpage et des chargeurs linéaires dans une conception de boîtier de charge, en fonction de la taille de la batterie et du taux de charge. Les chargeurs à découpage ont une efficacité plus élevée et génèrent moins de chaleur, ce qui est important pour les courants élevés de 700 mA et plus. Les chargeurs à découpage sont généralement dotés d'une fonction intégrée d'amplification ou de déplacement, qui peut augmenter la tension de la batterie pour fournir une tension d'entrée permettant aux écouteurs de se charger. Les chargeurs linéaires sont également de bons choix pour les boîtiers de batterie à des niveaux de courant inférieurs, car ils offrent un faible coût et un faible IQ.
Les aides auditives rechargeables présentent des défis de conception similaires. Ils sont souvent plus petits que les écouteurs afin de paraître invisibles et nécessitent donc une plus grande intégration de puissance dans une zone plus petite. Ils nécessitent également des rails d'alimentation à faible bruit, dont un avec un commutateur condensateur topologie, pour une clarté audio supérieure.
Fig. 5 : Chargeurs de batterie avec et sans chemin d'alimentation (Texas Instruments Inc.)
Le circuit intégré du chargeur de batterie restera un élément important dans la conception des produits TWS, car les fabricants continuent de rechercher des améliorations en termes de performances, de fonctionnalités et de taille. Assurez-vous d'envisager des chargeurs hautes performances pour les défis abordés dans cet article.
Ressources additionnelles
- Lisez ces rapports d'application :
- "Charge à haute efficacité pour TWS à l'aide d'une interface à 2 broches."
- « Conception BQ21061 à petit facteur de forme à deux couches pour des circuits imprimés à coût optimisé. »
- Téléchargez l'outil de configuration BQ25155 pour générer un code de microcontrôleur pour les valeurs programmées.
- Recherchez le bon CI de chargeur de batterie TI pour votre prochaine conception.
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