שוק הסטריאו האלחוטי האמיתי (TWS) התפוצץ וגדל בקצב מוערך של יותר מ -50% מדי שנה מאז שחרורם של ה- AirPods של אפל בשנת 2016. יצרני האוזניות האלחוטיות הפופולריות הללו מוסיפים במהירות תכונות נוספות (ביטול רעשים, שינה ו ניטור בריאות) כדי להבדיל בין המוצרים שלהם, אך הוספת כל התכונות הללו יכולה להיות קשה מבחינה הנדסית עיצוב. במאמר זה אסקור את האתגרים הללו.
איור 1: דוגמה ליישום סטריאו אלחוטי אמיתי עם אוזניות ומארז טעינה (תמונה: Texas Instruments Inc.)
אתגר מס '1: מזעור אובדן הספק באמצעות טעינה יעילה
אתגר עיקרי לאוזניות אלחוטיות הוא להשיג זמן משחק כולל ארוך יותר לאחר טעינה מלאה של האוזניות במארז הסוללה. במקרה זה, זמן משחק כולל ארוך יותר מתורגם למספר המחזורים שהמארז יכול לטעון את האוזניות לאורך כל חייו. המטרה היא להשיג טעינה יעילה גבוהה תוך מינימום אובדן חשמל ממארז הטעינה לאוזניות.
מארז הטעינה פלט א מתח, שמקורו בסוללה שלה, המשמשת ככניסה להטענת האוזניות. התוכנית האופיינית היא דחיפה מֵמִיר המפיק 5 וולט קבועים, שהוא פיתרון פשוט אך אינו מייעל את יעילות הטעינה. מכיוון שלאוזניות יש סוללות קטנות מאוד, לעתים קרובות מעצבים משתמשים במטענים ליניאריים. יעילות הטעינה בעת שימוש בכניסת 5 וולט קבועה נמוכה - בערך (V.IN-Vלבת) / VIN - ויוצר מתח נשירה גדול לסוללה. חיבור מתח הסוללה הממוצע של ליתיום-יון (Li-ion) של 3.6 וולט (חצי משוחרר), היעילות עם כניסת 5 וולט מגיעה לטעינה של 72% בלבד.
לעומת זאת, שימוש בהגברת פלט מתכווננת או ממיר דחיפה באק במקרה הטעינה יוצר מתח בקושי מעל טווח המתח האופייני של האוזניות. לשם כך יש צורך בתקשורת ממארז הטעינה לאוזניות, מה שמאפשר את התאמת הדינמיקה של מתח היציאה של מארז הטעינה לסוללת האוזניות ככל שהמתח עולה. זה ימזער את הנשירה, יגביר את יעילות הטעינה ויפחית את החום באופן משמעותי. האיור 2 מראה דוגמה למערכת כזו.
איור 2: מערכת טעינה יעילה ביותר לאוזניות אלחוטיות באמצעות ממשק דו פינים (מקור: דוח יישום TI SLUAA04)
אתגר מס '2: התכווצות גודל הפתרון הכללי מבלי להסיר תכונות
האתגר השני הוא אתגר אוניברסלי לעיצוב סוללות קטנות - כיצד לתכנן הן בגודל קטן והן בפונקציונליות רבה יותר. הפיתרון הפשוט כאן הוא לבחור מכשירים עם רכיבים משולבים יותר. לדוגמה:
- מטען לינארי בעל ביצועים גבוהים המשלב מסילות חשמל נוספות לאספקת גושי המערכת העיקריים הוא אפשרות טובה לאוזניות אלחוטיות.
- עבור בלוקים מתח חשמל ומתח נמוך כמו מעבדים ומודולי תקשורת אלחוטיים, מיתוג מסילות הוא הבחירה הטובה ביותר ליעילות.
- בעד חיישן בלוקים שאינם זקוקים להספק רב אך דורשים רעש נמוך, קחו בחשבון רגולטורים עם נשירה נמוכה.
- אם האוזניות האלחוטיות משלבות חיישנים מקדימים אנלוגיים למדידת חמצן ודופק בדם, ייתכן שתצטרך גם ממיר דחיפה.
שילוב של מסילות חשמל נוספות במטען מאפשר גורם צורה קטן יותר. תמיד יש פשרה בין שילוב יותר כדי להיות קטן יותר לעומת שימוש במעגלים משולבים בדידים יותר (ICs) כדי להשיג גמישות.
אתגר מס '3: הארכת זמן המתנה
זמן המתנה חשוב מכיוון שהצרכנים מצפים שהאוזניות שלהם יהיו מוכנות להשמעת מוזיקה גם לאחר סרק זמן רב מחוץ למארז הטעינה. שקול להשתמש בתאי ליון-יון בצפיפות גבוהה יותר באוזניות, שבדרך כלל מגיעים עם מתח גבוה יותר כמו 4.35 וולט ו -4.4 וולט, וכך לארוז יותר אנרגיה. תשלום מלא יותר יגדיל גם את זמן ההמתנה. מטען סוללות שכולל זרם סיום קטן בדיוק רב יעזור להאריך גם את זמן המתנה. אם למפרט זרם הסיום יש שונות רבה, ייתכן שתקבל את זרם הסיום בצד הגבוה יותר, מה שמביא לסיום מוקדם ולסוללה חסרת טעינה.
האיור 3 מראה מקרה בו סוללת 41 מיליאמפר / שעה מסתיימת ב -1 מיליאמפר לעומת 4 מיליאמפר. אם זרם הסיום 1-mA הנומינלי הוא בעל וריאציה רחבה ולמעשה מסתיים ב- 4 mA, קיבולת הסוללה של 2 mAh תישאר ללא שימוש. זרם סיום נמוך יותר ודיוק גבוה יותר מגדילים את קיבולת הסוללה האפקטיבית.
איור 3: סוללה של 41 מיליאמפר / שעה עם זרם סיום נומינלי של 1 מיליאמפר מסתיימת למעשה ב -4 מיליאמפר / שעה. (תמונה: Texas Instruments Inc.)
זרם שקט נמוך (IQ) במצבי עבודה שונים חשוב גם כדי להאריך את זמני ההמתנה. מטען IC עם נתיב חשמל וזרם כמעט אפס במצב הספינה ימנע מהסוללה להתנקז לפני שהמוצר מגיע לצרכן, ותומך בשימוש מיידי. נתיב כוח כרוך בהצבת תחמוצת מתכת סמיקונדקטור אפקט שדה טרנזיסטור (MOSFET) בין הסוללה למערכת כדי לנהל את המערכת ונתיבי הסוללה בנפרד.
כאשר האוזניות מנגנות מוסיקה או סרק, צריכת הזרם במערכת צריכה להיות קטנה ככל האפשר. חפש מטען שיש לו נמוך אניQ וגם ממזער את ה- I של המערכתQ. לדוגמא, מטענים לסוללות זקוקים לעיתים קרובות למקדם טמפרטורה שלילי (NTC) נַגָד רשת למדידת טמפרטורת הסוללה. המטענים BQ21061 ו- BQ25155 מטקסס אינסטרומנטס, למשל, משלבים מקור זרם כדי להטות את רשת הנגד, שיכולה להיות כבויה כאשר לא מבצעים מדידות.
פתרונות מסוימים בשוק אינם יכולים לכבות את זרם ה- NTC כאשר הם פועלים במצב סוללה. או שתהיה להם דליפה מוגזמת (הדליפה יכולה להגיע ליותר מ 200 µA כאשר לרשת ה- NTC יש 20 kΩ ממתח ההטיה לקרקע) או לדרוש קלט / פלט נוסף ומתג כדי לכבות אותה.
אתגר מס '4: תכנון לבטיחות
ליצרני חבילות סוללות יש בדרך כלל הנחיות לטעינת הסוללות שלהם בטמפרטורות שונות, והכרחי שהסוללה תישאר באזורי ההפעלה הבטוחים הללו בזמן השימוש. חלקם דורשים פרופיל סטנדרטי שבו הטעינה נעצרת מחוץ לגבולות הטמפרטורה הקרה והחמה. אחרים עשויים לדרוש פרופילים ספציפיים מיפן אֶלֶקטרוֹנִי מֵידָע טכנולוגיה עמותה, למשל. כדי להיות תואם לפרופילי טמפרטורה אלה, חפש סוללות עם הפרופיל המובנה הדרוש או I2תכנות C. ל- BQ21061 ו- BQ25155 יש רושמים להגדרת חלון הטמפרטורה ופעולות לביצוע בטווחי טמפרטורה ספציפיים.
נעילת מתח נמוך מסוללה (UVLO) היא תכונת בטיחות נוספת, השומרת על הסוללה מפני ניתוק יתר ולכן נלחצת. UVLO מנתק את נתיב הפריקה ברגע שמתח הסוללה יורד מתחת לסף מסוים. לדוגמא, עבור סוללת ליתיום עם מתח טעינה מלא של 4.2 וולט, סף ניתוק משותף הוא 2.8 וולט עד 3 וולט.
אתגר מס '5: הבטחת אמינות המערכת
אמינות נמוכה של המערכת עלולה לגרום למיקרו-מעבדים מסוימים להיתקע כאשר הצרכן מחבר את המתאם. למרות שזה נדיר, הוא דורש איפוס כוח מערכת כדי שהמעבד יכול לאתחל ולחזור למצב נורמלי. חלק ממטעי הסוללה משלבים טיימר כלב שמירה לאיפוס חומרה המבצע איפוס חומרה או מחזור כוח אם אין אני2עסקת C מזוהה זמן מה לאחר שהצרכן מחבר את המתאם. עם איפוס המערכת, נתיב החשמל מנתק ומחבר מחדש את הסוללה והמערכת.
בדומה לטיימר כלב השמירה לאיפוס חומרה, טיימר כלבי השמירה של התוכנה מסייע גם בהגברת אמינות המערכת על ידי איפוס רושמי המטענים לערכי ברירת המחדל לאחר תקופה של ללא עסקאות ב- I2ג. איפוס זה מונע טעינה כוזבת של סוללה כאשר המיקרו-מעבד נמצא במצב תקלה.
אתגר מס '6: ניטור אזורי פעולה אופטימליים
האתגר השישי הוא לפקח על פרמטרי המערכת, אשר ממיר אנלוגי לדיגיטלי (ADC) מובנה דיוק גבוה יכול לעשות ביעילות. מדידת מתח הסוללה היא פרמטר טוב מכיוון שהיא מבטאת את מצב הטעינה של הסוללה בצורה נוחה, אם כי באופן משוער. ככלל אצבע, תזדקק ל- IC ייעודי למדי סוללה אם האוזניות האלחוטיות דורשות מצב טעינה גבוה מ- ± 5%.
ADC מובנה ברמת דיוק גבוהה מאפשר לך גם לפקח על טמפרטורת הסוללה והלוח במהלך טעינה ופריקה ולנקוט בפעולה. פרמטרים אחרים שמטען יכול לפקח עליהם כוללים מתח כניסה / זרם, מתח / זרם טעינה ומתח מערכת. משווים מובנים גם נוחים לעזור לפקח על פרמטרים ספציפיים ולשלוח הפרעה למארח. המארח לא צריך לקרוא כל הזמן פרמטרים מעניינים אם הפרמטרים הם בגבולות הרגילים ולא מפעילים את המשווים. ה- BQ25155 הוא דוגמה טובה למכשיר שיכול לפקח על פרמטרי המערכת, מכיוון שיש לו ADC ומשווים.
אתגר מס '7: הקלות על קישוריות אלחוטית קלה
איור 4: דוח מצב תשלום TWS בסמארטפון (תמונה: Texas Instruments Inc.)
לחלק מהאוזניות האלחוטיות יש תכונה להצגת מצב הטעינה של האוזניות ומארז הטעינה בסמארטפון כאשר האוזניות נמצאות בתיק הטעינה והמכסה פתוח. כדי לתמוך בתכונה זו, האוזניות צריכות לדווח על מצב הטעינה באופן מיידי בעת הכנסתן למארז, גם אם הסוללות פרוקות עמוקות. השבב הראשי צריך להיות ער כדי לדווח על מצב הטעינה, ולכן במקרה זה מקור חיצוני צריך להפעיל את האוזניות. מטענים בעלי נתיב חשמל מאפשרים למערכת להיות מתח גבוה יותר מ- VBUS תוך טעינת הסוללה במתח נמוך יותר.
מספר תכונות עבור מטעני אוזניות אלחוטיות - כגון מצב ספינה, איפוס צריכת חשמל של המערכת, סוללה UVLO, זרם סיום מדויק ודיווח על מצב טעינה מיידי - אינן אפשריות ללא תכונת נתיב מתח, הכרוכה במיקום של MOSFET בין הסוללה למערכת כדי לנהל את המערכת ואת נתיב הסוללה בנפרד. האיור 5 מדגים מטענים עם נתיב החשמל ובלעדיו.
מקובל לראות גם מטענים מיתוגיים וגם לינאריים בעיצוב מארז טעינה, בהתאם לגודל הסוללה וקצב הטעינה. למטענים למיתוג יעילות גבוהה יותר ומייצרים פחות חום, וזה חשוב לזרמים גדולים של 700 mA ומעלה. מטענים למיתוג מגיעים בדרך כלל עם דחיפה משולבת או פונקציה תוך כדי תנועה, אשר יכולים להגביר את מתח הסוללה כדי לספק טעינת מתח כניסה לאוזניות. מטענים ליניאריים הם גם בחירות טובות למארזי סוללות ברמות זרם נמוכות יותר, מכיוון שהם מציעים עלות נמוכה ואני נמוכהQ.
למכשירי שמיעה נטענים יש אתגרי עיצוב דומים. לעתים קרובות הן קטנות יותר מאוזניות כדי להיראות בלתי נראים, ולכן זקוקות לשילוב כוח רב יותר באזור קטן יותר. הם גם דורשים מסילות חשמל בעלות רעש נמוך, כולל אחת עם מתג קבל טופולוגיה, לבהירות שמע מעולה.
איור 5: מטענים לסוללה עם ובלי נתיב חשמל (Texas Instruments Inc.)
מטען הסוללה IC יישאר מרכיב חשוב בעיצוב מוצרי TWS כאשר היצרנים ממשיכים לחפש שיפורים בביצועים, בתכונות ובגודל. הקפד לשקול מטענים בעלי ביצועים גבוהים לאתגרים הנדונים במאמר זה.
משאבים נוספים
- קרא את דוחות היישום הבאים:
- "טעינה יעילה גבוהה עבור TWS באמצעות ממשק דו פינים."
- "BQ21061 עיצוב דו-שכבתי בעל צורה קטנה לשכבה עבור PCB ממוטב בעלויות."
- הורד את כלי ההתקנה של BQ25155 כדי ליצור קוד מיקרו-בקר לערכים מתוכנתים.
- חפש את מטען הסוללה TI המתאים לעיצוב הבא שלך.
על טקסס אינסטרומנטס