Pasar stereo nirkabel sejati (TWS) telah meledak, tumbuh dengan perkiraan tingkat lebih dari 50% setiap tahun sejak rilis Apple AirPods pada tahun 2016. Produsen headset nirkabel populer ini dengan cepat menambahkan lebih banyak fitur (pembatalan kebisingan, tidur dan pemantauan kesehatan) untuk membedakan produk mereka, tetapi menambahkan semua fitur ini bisa jadi sulit dari perspektif rekayasa desain. Pada artikel ini, saya akan mengulas tantangan tersebut.
Gbr. 1: Contoh aplikasi stereo nirkabel sejati dengan earbud dan kasing pengisi daya (Gambar: Texas Instruments Inc.)
Tantangan No. 1: Meminimalkan kehilangan daya dengan pengisian daya yang efisien
Tantangan utama untuk headset nirkabel adalah mencapai total waktu bermain yang lebih lama setelah mengisi penuh earbud dalam wadah baterai. Dalam hal ini, total waktu putar yang lebih lama berarti jumlah siklus yang dapat diisi oleh kasing dari earbud sepanjang masa pakainya. Tujuannya adalah untuk mencapai pengisian daya dengan efisiensi tinggi sambil meminimalkan kehilangan daya dari casing pengisi daya ke earbud.
Kasing pengisi daya mengeluarkan a tegangan, berasal dari baterainya, yang berfungsi sebagai input untuk mengisi daya earbud. Skema tipikal adalah dorongan Converter yang menghasilkan 5 V tetap, yang merupakan solusi sederhana tetapi tidak mengoptimalkan efisiensi pengisian. Karena earbud memiliki baterai yang sangat kecil, desainer sering menggunakan pengisi daya linier. Efisiensi pengisian saat menggunakan input 5-V tetap rendah – kira-kira (VIN-VBAT)/VIN – dan menciptakan tegangan putus yang besar ke baterai. Memasukkan tegangan baterai lithium-ion (Li-ion) rata-rata 3.6 V (setengah habis), efisiensi dengan input 5-V hanya mencapai 72% pengisian daya.
Sebaliknya, menggunakan boost output yang dapat disesuaikan atau konverter buck-boost dalam wadah pengisi daya menghasilkan voltase yang hampir tidak melebihi rentang voltase tipikal dari earbud. Hal ini memerlukan komunikasi dari casing pengisi daya ke earbud, yang memungkinkan tegangan output casing pengisi daya untuk menyesuaikan secara dinamis dengan baterai earbud saat voltase meningkat. Ini akan meminimalkan putus sekolah, meningkatkan efisiensi pengisian dan mengurangi panas secara signifikan. Ara. 2 menunjukkan contoh sistem seperti itu.
Gbr. 2: Sistem pengisian daya efisiensi tinggi untuk headset nirkabel menggunakan antarmuka dua pin (Sumber: laporan aplikasi TI SLUAA04)
Tantangan No. 2: Mengecilkan ukuran solusi keseluruhan tanpa menghapus fitur
Tantangan kedua adalah tantangan universal untuk desain baterai kecil – bagaimana mendesain untuk ukuran kecil dan fungsionalitas yang lebih besar. Solusi sederhana di sini adalah memilih perangkat dengan komponen yang lebih terintegrasi. Sebagai contoh:
- Pengisi daya linier berkinerja tinggi yang mengintegrasikan rel daya tambahan untuk memasok blok sistem utama adalah pilihan yang baik untuk headset nirkabel.
- Untuk blok yang haus daya dan bertegangan rendah seperti prosesor dan modul komunikasi nirkabel, rel switching adalah pilihan terbaik untuk efisiensi.
- Untuk Sensor blok yang tidak membutuhkan banyak daya tetapi membutuhkan kebisingan rendah, pertimbangkan regulator putus sekolah rendah.
- Jika headset nirkabel mengintegrasikan sensor front-end analog untuk mengukur oksigen darah dan detak jantung, Anda mungkin juga memerlukan konverter boost.
Integrasi rel daya ekstra ke pengisi daya memungkinkan faktor bentuk yang lebih kecil. Selalu ada trade-off, bagaimanapun, antara mengintegrasikan lebih banyak untuk mendapatkan yang lebih kecil vs menggunakan lebih banyak sirkuit terpadu (IC) diskrit untuk mendapatkan fleksibilitas.
Tantangan No. 3: Memperpanjang waktu siaga
Waktu siaga penting karena konsumen mengharapkan headset mereka siap untuk memutar musik bahkan setelah diam dalam waktu lama di luar casing pengisi daya. Pertimbangkan untuk menggunakan sel Li-ion berdensitas energi lebih tinggi di earbud, yang biasanya datang dengan voltase lebih tinggi seperti 4.35 V dan 4.4 V, dan dengan demikian mengemas lebih banyak energi. Pengisian daya yang lebih penuh juga akan meningkatkan waktu siaga. Pengisi daya baterai yang memiliki arus pemutusan arus kecil dengan akurasi tinggi akan membantu memperpanjang waktu siaga juga. Jika spesifikasi arus terminasi memiliki variasi yang luas, Anda mungkin akan mendapatkan arus terminasi di sisi yang lebih tinggi, yang mengakibatkan terminasi dini dan baterai kurang terisi.
Ara. 3 menunjukkan kasus di mana baterai 41-mAh berakhir pada 1 mA vs. 4 mA. Jika arus terminasi nominal 1-mA memiliki variasi yang lebar dan benar-benar berakhir pada 4 mA, kapasitas baterai 2-mAh akan tetap tidak terpakai. Arus terminasi yang lebih rendah dan akurasi yang lebih tinggi meningkatkan kapasitas baterai yang efektif.
Gambar 3: Baterai 41-mAh dengan arus pemutusan nominal 1-mA sebenarnya berakhir pada 4 mA. (Gambar: Texas Instruments Inc.)
Arus diam rendah (IQ) dalam mode kerja yang berbeda juga penting untuk membantu memperpanjang waktu siaga. Pengisi daya IC dengan jalur daya dan arus mode kapal hampir nol akan mencegah baterai terkuras sebelum produk sampai ke konsumen, mendukung penggunaan segera. Jalur daya memerlukan penempatan oksida logam Semikonduktor efek medan Transistor (MOSFET) antara baterai dan sistem untuk mengelola sistem dan jalur baterai secara terpisah.
Saat earbud memutar musik atau idle, konsumsi arus sistem harus sekecil mungkin. Cari pengisi daya yang memiliki I . rendahQ dan juga meminimalkan I . sistemQ. Misalnya, pengisi daya baterai sering membutuhkan koefisien suhu negatif (NTC) Penghambat jaringan untuk mengukur suhu baterai. Pengisi daya BQ21061 dan BQ25155 dari Texas Instruments, misalnya, mengintegrasikan sumber arus untuk membiaskan jaringan resistor, yang dapat mati saat tidak melakukan pengukuran.
Beberapa solusi di pasaran tidak dapat mematikan arus NTC saat beroperasi dalam mode baterai. Mereka akan memiliki kebocoran yang berlebihan (kebocoran bisa mencapai lebih dari 200 A ketika jaringan NTC memiliki 20 kΩ dari tegangan bias ke ground) atau memerlukan input/output tambahan dan sakelar untuk mematikannya.
Tantangan No. 4: Merancang untuk keselamatan
Produsen baterai biasanya memiliki pedoman untuk mengisi daya baterai mereka pada suhu yang berbeda-beda, dan baterai harus tetap berada di zona pengoperasian yang aman saat digunakan. Beberapa memerlukan profil standar di mana pengisian daya berhenti di luar batas suhu dingin dan panas. Orang lain mungkin memerlukan profil khusus dari Jepang Elektronik Informasi Teknologi Asosiasi misalnya. Agar sesuai dengan profil suhu ini, carilah baterai dengan profil bawaan yang diperlukan atau beberapa I2C. programabilitas. BQ21061 dan BQ25155 memiliki register untuk mengatur jendela suhu dan tindakan yang harus dilakukan dalam rentang suhu tertentu.
Baterai undervoltage lockout (UVLO) adalah fitur keamanan lain, menjaga baterai dari overdischarging dan dengan demikian menjadi stres. UVLO memotong jalur pengosongan setelah tegangan baterai turun di bawah ambang batas tertentu. Misalnya, untuk baterai Li-ion yang memiliki tegangan pengisian penuh 4.2-V, ambang batas yang umum adalah 2.8 V hingga 3 V.
Tantangan No. 5: Memastikan keandalan sistem
Keandalan sistem yang rendah dapat menyebabkan beberapa mikroprosesor macet saat konsumen mencolokkan adaptor. Meskipun hal ini jarang terjadi, hal ini memerlukan pengaturan ulang daya sistem agar mikroprosesor dapat melakukan boot ulang dan kembali normal. Beberapa pengisi daya baterai mengintegrasikan pengatur waktu penyetelan ulang perangkat keras yang melakukan penyetelan ulang perangkat keras atau siklus daya jika tidak ada I2Transaksi C terdeteksi beberapa saat setelah konsumen mencolokkan adaptor. Setelah pengaturan ulang sistem, jalur daya memutuskan dan menyambungkan kembali baterai dan sistem.
Mirip dengan timer pengawas reset perangkat keras, timer pengawas perangkat lunak tradisional juga membantu meningkatkan keandalan sistem dengan mengatur ulang register pengisi daya ke nilai default setelah periode tidak ada transaksi di I2C. Reset ini mencegah pengisian baterai palsu ketika mikroprosesor dalam kondisi rusak.
Tantangan No. 6: Memantau zona operasi yang optimal
Tantangan keenam adalah memantau parameter sistem, yang dapat dilakukan oleh konverter analog-ke-digital (ADC) presisi tinggi bawaan secara efisien. Mengukur voltase baterai adalah parameter yang baik karena ini mengungkapkan status pengisian baterai dengan mudah, meskipun dengan cara yang mendekati. Sebagai aturan praktis, Anda memerlukan IC pengukur baterai khusus jika headset nirkabel memerlukan status pengisian daya lebih dari ±5%.
ADC built-in presisi tinggi juga memungkinkan Anda untuk memantau suhu baterai dan papan selama pengisian dan pemakaian dan mengambil tindakan. Parameter lain yang dapat dipantau oleh pengisi daya termasuk tegangan/arus input, tegangan/arus pengisian, dan tegangan sistem. Komparator built-in juga nyaman untuk membantu memantau parameter tertentu dan mengirim interupsi ke host. Tuan rumah tidak perlu membaca parameter yang diinginkan secara konstan jika parameter berada dalam batas normal dan tidak memicu pembanding. BQ25155 adalah contoh yang baik dari perangkat yang dapat memantau parameter sistem, karena memiliki ADC dan pembanding.
Tantangan No. 7: Memfasilitasi konektivitas nirkabel yang mudah
Gbr. 4: Laporan pengisian daya TWS pada ponsel cerdas (Gambar: Texas Instruments Inc.)
Beberapa headset nirkabel memiliki fitur untuk menampilkan status pengisian daya baik earbud maupun casing pengisi daya pada ponsel cerdas saat earbud berada dalam wadah pengisi daya dan penutupnya terbuka. Untuk mendukung fitur ini, earbud harus melaporkan status pengisian daya secara instan saat dimasukkan ke dalam kasing, bahkan jika baterainya benar-benar habis. Chip utama harus aktif untuk melaporkan status pengisian daya, jadi dalam hal ini sumber eksternal harus memberi daya pada earbud. Pengisi daya yang memiliki jalur daya memungkinkan sistem memiliki tegangan yang lebih tinggi dari VBUS saat mengisi daya baterai pada tegangan yang lebih rendah.
Beberapa fitur untuk pengisi daya headset nirkabel – seperti mode pengiriman, pengaturan ulang daya sistem, UVLO baterai, arus terminasi yang akurat, dan pelaporan status pengisian daya secara instan – tidak dapat dilakukan tanpa fitur jalur daya, yang memerlukan penempatan a MOSFET antara baterai dan sistem untuk mengelola sistem dan jalur baterai secara terpisah. Ara. 5 menggambarkan pengisi daya dengan dan tanpa jalur daya.
Adalah umum untuk melihat pengisi daya switching dan linier dalam desain casing pengisi daya, tergantung pada ukuran baterai dan kecepatan pengisian daya. Pengalih pengisi daya memiliki efisiensi yang lebih tinggi dan menghasilkan lebih sedikit panas, yang penting untuk arus besar 700 mA dan lebih tinggi. Pengalih pengisi daya biasanya dilengkapi dengan fungsi boost atau on-the-go terintegrasi, yang dapat meningkatkan voltase baterai untuk memberikan voltase input agar earbud dapat diisi daya. Pengisi daya linier juga merupakan pilihan yang baik untuk wadah baterai pada tingkat arus yang lebih rendah, karena menawarkan biaya rendah dan I . rendahQ.
Alat bantu dengar yang dapat diisi ulang memiliki tantangan desain serupa. Seringkali ukurannya lebih kecil daripada earbud sehingga tampak tidak terlihat, sehingga memerlukan lebih banyak integrasi daya di area yang lebih kecil. Mereka juga memerlukan power rail dengan kebisingan rendah, termasuk yang dilengkapi saklar kapasitor topologi, untuk kejernihan audio yang superior.
Gbr. 5: Pengisi daya baterai dengan dan tanpa jalur daya (Texas Instruments Inc.)
IC pengisi daya baterai akan tetap menjadi elemen penting dalam desain produk TWS karena produsen terus mencari peningkatan kinerja, fitur, dan ukuran. Pastikan untuk mempertimbangkan pengisi daya berkinerja tinggi untuk tantangan yang dibahas dalam artikel ini.
Sumber daya tambahan
- Baca laporan aplikasi ini:
- “Pengisian Daya Efisiensi Tinggi untuk TWS Menggunakan Antarmuka 2-Pin.”
- “BQ21061 Desain Faktor Bentuk Kecil Dua Lapis untuk PCB yang Dioptimalkan Biaya.”
- Unduh alat penyiapan BQ25155 untuk menghasilkan kode mikrokontroler untuk nilai yang diprogram.
- Cari IC pengisi daya baterai TI yang tepat untuk desain Anda selanjutnya.
tentang Texas Instruments