진정한 무선 스테레오 (TWS) 시장은 50 년 Apple AirPods 출시 이후 매년 2016 % 이상의 속도로 성장하고 있습니다. 이러한 인기있는 무선 헤드셋 제조업체는 빠르게 더 많은 기능 (소음 제거, 수면 및 상태 모니터링)을 통해 제품을 차별화 할 수 있지만 설계 엔지니어링 관점에서 이러한 모든 기능을 추가하는 것은 어려울 수 있습니다. 이 기사에서는 이러한 과제를 검토 할 것입니다.
그림 1 : 이어 버드와 충전 케이스가있는 진정한 무선 스테레오 애플리케이션의 예 (이미지 : Texas Instruments Inc.)
과제 1 : 효율적인 충전으로 전력 손실 최소화
무선 헤드셋의 주요 과제는 배터리 케이스에있는 이어 버드를 완전히 충전 한 후 총 재생 시간을 늘리는 것입니다. 이 경우 총 재생 시간이 길수록 케이스가 수명 내내 이어 버드를 충전 할 수있는주기 횟수로 변환됩니다. 목표는 충전 케이스에서 이어 버드로의 전력 손실을 최소화하면서 고효율 충전을 달성하는 것입니다.
충전 케이스는 전압배터리에서 파생되며 이어 버드를 충전하기위한 입력 역할을합니다. 전형적인 계획은 부스트입니다 변환기 고정 된 5V를 출력하는 간단한 솔루션이지만 충전 효율을 최적화하지 않습니다. 이어 버드는 배터리가 매우 작기 때문에 설계자는 종종 선형 충전기를 사용합니다. 고정 5V 입력을 사용할 때 충전 효율은 낮습니다.IN-VBAT)/VIN – 배터리에 큰 드롭 아웃 전압을 생성합니다. 3.6V (반방전)의 평균 리튬 이온 (Li-ion) 배터리 전압을 연결하면 5V 입력의 효율은 72 % 충전에 불과합니다.
반대로, 충전 케이스에서 조정 가능한 출력 부스트 또는 벅 부스트 컨버터를 사용하면 이어 버드의 일반적인 전압 범위보다 약간 높은 전압이 생성됩니다. 이를 위해서는 충전 케이스에서 이어 버드로의 통신이 필요하므로 충전 케이스 출력 전압이 전압이 증가함에 따라 이어 버드의 배터리에 맞게 동적으로 조정될 수 있습니다. 이렇게하면 드롭 아웃을 최소화하고 충전 효율을 높이며 열을 크게 줄일 수 있습니다. Fig. 2 이러한 시스템의 예를 보여줍니다.
그림 2 : 04 핀 인터페이스를 사용하는 무선 헤드셋 용 고효율 충전 시스템 (출처 : TI 애플리케이션 보고서 SLUAAXNUMX)
과제 2 : 기능을 제거하지 않고 전체 솔루션 크기 축소
두 번째 과제는 소형 배터리 설계를위한 보편적 인 문제입니다. 작은 크기와 더 큰 기능 모두를위한 설계 방법입니다. 여기서 간단한 해결책은 더 통합 된 구성 요소가있는 장치를 선택하는 것입니다. 예를 들면 :
- 메인 시스템 블록에 전원을 공급하기 위해 추가 전원 레일을 통합하는 고성능 선형 충전기는 무선 헤드셋을위한 좋은 옵션입니다.
- 프로세서 및 무선 통신 모듈과 같이 전력이 많이 소모되는 저전압 블록의 경우 스위칭 레일이 효율성을위한 최상의 선택입니다.
- 럭셔리 감지기 많은 전력이 필요하지 않지만 저잡음이 필요한 블록은 저 드롭 아웃 레귤레이터를 고려하십시오.
- 무선 헤드셋에 아날로그 프런트 엔드 센서가 통합되어 혈액 산소와 심박수를 측정하는 경우 부스트 컨버터가 필요할 수도 있습니다.
추가 전원 레일을 충전기에 통합하면 더 작은 폼 팩터가 가능합니다. 그러나 유연성을 얻기 위해 더 많은 개별 IC (Integrated Circuit)를 사용하는 것과 더 작게하기 위해 더 많이 통합하는 것 사이에는 항상 절충안이 있습니다.
과제 3 : 대기 시간 연장
소비자는 헤드셋이 충전 케이스 밖에서 오랫동안 유휴 상태에서도 음악을 재생할 준비가되어 있기를 기대하기 때문에 대기 시간이 중요합니다. 일반적으로 4.35V 및 4.4V와 같은 더 높은 전압을 제공하므로 더 많은 에너지를 충전하는 이어 버드에 더 높은 에너지 밀도의 리튬 이온 셀을 사용하는 것이 좋습니다. 완전히 충전하면 대기 시간도 늘어납니다. 높은 정확도의 작은 종단 전류를 제공하는 배터리 충전기는 대기 시간도 연장하는 데 도움이됩니다. 종단 전류 사양의 편차가 큰 경우 종단 전류가 더 높은 쪽에서 발생하여 조기 종단 및 배터리 부족으로 이어질 수 있습니다.
Fig. 3 41mAh 배터리가 1mA 대 4mA에서 종료되는 경우를 보여줍니다. 공칭 1mA 종단 전류의 변동이 넓고 실제로 4mA에서 종단되는 경우 2mAh 배터리 용량은 미개발 상태로 유지됩니다. 더 낮은 종단 전류와 더 높은 정확도는 유효 배터리 용량을 증가시킵니다.
그림 3 : 공칭 종단 전류가 41mA 인 1mAh 배터리는 실제로 4mA에서 종단됩니다. (이미지 : Texas Instruments Inc.)
낮은 대기 전류 (IQ) 다른 작업 모드에서 대기 시간을 연장하는 것도 중요합니다. 충전기 IC 전원 경로와 거의 XNUMX에 가까운 배송 모드 전류를 통해 제품이 소비자에게 전달되기 전에 배터리가 소모되는 것을 방지하여 즉시 사용할 수 있습니다. 전력 경로는 금속 산화물의 배치를 수반합니다 반도체 전계 효과 트랜지스터 (이끼) 배터리와 시스템 사이에서 시스템과 배터리 경로를 별도로 관리합니다.
이어 버드가 음악을 재생 중이거나 유휴 상태 일 때 시스템 전류 소비는 가능한 한 작아야합니다. I가 낮은 충전기를 찾으십시오.Q 또한 시스템의 I를 최소화합니다.Q. 예를 들어 배터리 충전기에는 종종 음의 온도 계수 (NTC)가 필요합니다. 저항기 네트워크에서 배터리 온도를 측정합니다. 예를 들어 Texas Instruments의 BQ21061 및 BQ25155 충전기는 전류 소스를 통합하여 저항 네트워크를 바이어스하며, 측정을 수행하지 않을 때 꺼질 수 있습니다.
시중에 나와있는 일부 솔루션은 배터리 모드에서 작동 할 때 NTC 전류를 끌 수 없습니다. 과도한 누설이 발생하거나 (NTC 네트워크가 바이어스 전압에서 접지까지 200kΩ 일 때 누설이 20µA 이상이 될 수 있음) 추가 입력 / 출력 및 스위치가 필요합니다.
과제 4 : 안전을위한 설계
배터리 팩 제조업체에는 일반적으로 다양한 온도에서 배터리를 충전하기 위한 지침이 있으므로 사용 중에 배터리를 이러한 안전 작동 구역에 유지하는 것이 필수적입니다. 일부는 저온 및 고온 경계 외부에서 충전이 중지되는 표준 프로필이 필요합니다. 기타 국가에서는 일본의 특정 프로필이 필요할 수 있습니다. 전자 정보 Technology 예를 들어 협회. 이러한 온도 프로필을 준수하려면 필요한 내장 프로필이 있는 배터리를 찾으십시오.2C 프로그래밍 가능성. BQ21061 및 BQ25155에는 온도 창을 설정하는 레지스터와 특정 온도 범위에서 수행 할 작업이 있습니다.
배터리 부족 전압 차단 (UVLO)은 배터리가 과방 전되어 스트레스를받지 않도록하는 또 다른 안전 기능입니다. UVLO는 배터리 전압이 특정 임계 값 아래로 내려 가면 방전 경로를 차단합니다. 예를 들어 완전 충전 전압이 4.2V 인 리튬 이온 배터리의 경우 공통 차단 임계 값은 2.8V ~ 3V입니다.
과제 5 : 시스템 안정성 보장
시스템 안정성이 낮 으면 소비자가 어댑터를 연결할 때 일부 마이크로 프로세서가 멈출 수 있습니다. 드물기는하지만 마이크로 프로세서가 재부팅되고 정상으로 돌아갈 수 있도록 시스템 전원을 재설정해야합니다. 일부 배터리 충전기는 하드웨어 재설정 또는 전원 순환을 수행하는 하드웨어 재설정 감시 타이머를 통합합니다.2소비자가 어댑터를 연결 한 후 얼마 동안 C 트랜잭션이 감지됩니다. 시스템 재설정시 전원 경로가 배터리와 시스템을 분리했다가 다시 연결합니다.
하드웨어 재설정 감시 타이머와 유사하게 기존 소프트웨어 감시 타이머는 I에서 트랜잭션이없는 기간 후에 충전기 레지스터를 기본값으로 재설정하여 시스템 안정성을 높이는데도 도움이됩니다.2C.이 재설정은 마이크로 프로세서가 오류 상태 일 때 잘못된 배터리 충전을 방지합니다.
과제 6 : 최적의 작동 영역 모니터링
여섯 번째 과제는 내장 된 고정밀 아날로그-디지털 변환기 (ADC)가 효율적으로 수행 할 수있는 시스템 매개 변수를 모니터링하는 것입니다. 배터리 전압을 측정하는 것은 대략적인 방법으로 배터리 충전 상태를 편리하게 표현하기 때문에 좋은 매개 변수입니다. 일반적으로 무선 헤드셋에 ± 5 % 이상의 충전 상태가 필요한 경우 전용 배터리 게이지 IC가 필요합니다.
또한 고정밀 내장 ADC를 사용하면 충전 및 방전 중에 배터리와 보드의 온도를 모니터링하고 조치를 취할 수 있습니다. 충전기가 모니터링 할 수있는 다른 매개 변수로는 입력 전압 / 전류, 충전 전압 / 전류 및 시스템 전압이 있습니다. 내장 된 비교기는 특정 매개 변수를 모니터링하고 호스트에 인터럽트를 보내는데도 편리합니다. 매개 변수가 정상 한계 내에 있고 비교기를 트리거하지 않는 경우 호스트는 관심있는 매개 변수를 지속적으로 읽을 필요가 없습니다. BQ25155는 ADC와 비교기가 있기 때문에 시스템 매개 변수를 모니터링 할 수있는 장치의 좋은 예입니다.
과제 7 : 손쉬운 무선 연결 촉진
그림 4 : 스마트 폰의 TWS 충전 상태 보고서 (이미지 : Texas Instruments Inc.)
일부 무선 헤드셋에는 이어 버드가 충전 케이스에 있고 덮개가 열려있을 때 이어 버드와 충전 케이스의 충전 상태를 스마트 폰에 표시하는 기능이 있습니다. 이 기능을 지원하려면 배터리가 심하게 방전 된 경우에도 이어 버드를 케이스에 삽입하면 즉시 충전 상태를보고해야합니다. 충전 상태를보고하려면 메인 칩이 깨어 있어야하므로이 경우 외부 소스가 이어 버드에 전원을 공급해야합니다. 전원 경로가있는 충전기를 사용하면 시스템이 VBUS에서 더 높은 전압을 가지면서 배터리를 더 낮은 전압으로 충전 할 수 있습니다.
배송 모드, 시스템 전원 재설정, 배터리 UVLO, 정확한 종료 전류 및 즉각적인 충전 상태 보고와 같은 무선 헤드셋 충전기의 여러 기능은 전원 경로 기능 없이는 불가능합니다. MOSFET 배터리와 시스템 사이에서 시스템과 배터리 경로를 별도로 관리합니다. Fig. 5 전원 경로가있는 충전기와없는 충전기를 보여줍니다.
배터리 크기와 충전 속도에 따라 충전 케이스 디자인에서 스위칭 및 선형 충전기를 모두 보는 것이 일반적입니다. 스위칭 충전기는 효율이 높고 발열량이 적으므로 700mA 이상의 대전류에 중요합니다. 스위칭 충전기는 일반적으로 통합 부스트 또는 이동 중 기능과 함께 제공되며,이 기능은 배터리 전압을 높여서 이어 버드가 충전 할 입력 전압을 제공 할 수 있습니다. 선형 충전기는 낮은 비용과 낮은 I를 제공하기 때문에 낮은 전류 레벨의 배터리 케이스에도 적합합니다.Q.
충전식 보청기도 유사한 설계 문제를 가지고 있습니다. 눈에 보이지 않게 보일 정도로 이어버드보다 작은 경우가 많으므로 더 작은 영역에 더 많은 전력 통합이 필요합니다. 또한 스위치가 있는 레일을 포함하여 저잡음 전력 레일도 필요합니다. 콘덴서 뛰어난 오디오 선명도를 위한 토폴로지.
그림 5 : 전원 경로가 있거나없는 배터리 충전기 (Texas Instruments Inc.)
제조업체가 성능, 기능 및 크기 향상을 계속 추구함에 따라 배터리 충전기 IC는 TWS 제품 설계에서 중요한 요소로 남아있을 것입니다. 이 기사에서 논의 된 과제에 대해 고성능 충전기를 고려해야합니다.
추가 리소스
- 다음 애플리케이션 보고서를 읽으십시오.
- "2 핀 인터페이스를 사용하는 TWS를위한 고효율 충전"
- “BQ21061 비용 최적화 PCB를위한 XNUMX 레이어 소형 폼 팩터 설계.”
- 프로그래밍 된 값에 대한 마이크로 컨트롤러 코드를 생성하려면 BQ25155 설정 도구를 다운로드하십시오.
- 다음 설계에 적합한 TI 배터리 충전기 IC를 검색하십시오.
텍사스 인스트루먼트에 대해