Pasaran stereo tanpa wayar (TWS) yang sebenarnya telah meletup, berkembang pada kadar yang dianggarkan lebih dari 50% setiap tahun sejak pelancaran Apple AirPods pada tahun 2016. Pengilang alat dengar wayarles yang popular ini dengan cepat menambahkan lebih banyak ciri (pembatalan bunyi, tidur dan pemantauan kesihatan) untuk membezakan produk mereka, tetapi menambahkan semua ciri ini sukar dari perspektif kejuruteraan reka bentuk. Dalam artikel ini, saya akan mengkaji cabaran ini.
Rajah 1: Contoh aplikasi stereo tanpa wayar yang benar dengan earbud dan cas pengecasan (Imej: Texas Instruments Inc.)
Cabaran No. 1: Meminimumkan kehilangan kuasa dengan pengisian yang cekap
Cabaran utama untuk alat dengar tanpa wayar adalah mencapai jumlah masa bermain yang lebih lama setelah mengecas sepenuhnya earbud dalam casing bateri. Dalam kes ini, jumlah masa bermain yang lebih lama diterjemahkan kepada bilangan kitaran yang mana cas ini dapat mengisi telinga telinga sepanjang hayatnya. Tujuannya adalah untuk mencapai pengecasan kecekapan tinggi sambil meminimumkan kehilangan kuasa dari cas pengecasan ke earbud.
Kes pengecasan menghasilkan a voltan, berasal dari baterinya, yang berfungsi sebagai input untuk mengisi telinga telinga. Skim khas adalah peningkatan Penukar yang menghasilkan 5 V tetap, yang merupakan penyelesaian mudah tetapi tidak mengoptimumkan kecekapan pengecasan. Oleh kerana earbud mempunyai bateri yang sangat kecil, pereka sering menggunakan pengecas linier. Kecekapan pengecasan ketika menggunakan input 5-V tetap rendah - kira-kira (VIN-VBAT) / VIN - dan menghasilkan voltan putus yang besar ke bateri. Memasang voltan bateri lithium-ion (Li-ion) rata-rata 3.6 V (separuh habis), kecekapan dengan input 5-V hanya dengan pengecasan 72%.
Sebaliknya, menggunakan peningkatan output yang boleh disesuaikan atau penukar buck-boost dalam cas pengecasan menghasilkan voltan yang hampir tidak melebihi julat voltan biasa dari earbud. Ini memerlukan komunikasi dari cas pengecasan ke earbud, yang membolehkan voltan keluaran casing dapat dinamik menyesuaikan dengan bateri earbud ketika voltan meningkat. Ini akan mengurangkan keciciran, meningkatkan kecekapan pengisian dan mengurangkan kepanasan dengan ketara. Rajah 2 menunjukkan contoh sistem sedemikian.
Rajah 2: Sistem pengisian kecekapan tinggi untuk alat dengar tanpa wayar menggunakan antara muka dua pin (Sumber: Laporan aplikasi TI SLUAA04)
Cabaran No. 2: Mengecilkan saiz penyelesaian keseluruhan tanpa membuang ciri
Cabaran kedua adalah yang universal untuk reka bentuk bateri kecil - bagaimana merancang untuk saiz kecil dan fungsi yang lebih besar. Penyelesaian mudah di sini adalah memilih peranti dengan komponen yang lebih bersepadu. Sebagai contoh:
- Pengecas linier berprestasi tinggi yang menggabungkan rel kuasa tambahan untuk membekalkan blok sistem utama adalah pilihan yang baik untuk alat dengar tanpa wayar.
- Untuk blok haus kuasa dan voltan rendah seperti pemproses dan modul komunikasi tanpa wayar, rel beralih adalah pilihan terbaik untuk kecekapan.
- Untuk sensor blok yang tidak memerlukan banyak tenaga tetapi memerlukan kebisingan yang rendah, pertimbangkan pengatur penurunan rendah.
- Sekiranya alat dengar tanpa wayar menyatukan sensor analog-front-end untuk mengukur oksigen darah dan degup jantung, anda mungkin juga memerlukan penukar rangsangan.
Penggabungan rel kuasa tambahan ke pengecas memungkinkan faktor bentuk yang lebih kecil. Akan tetapi, selalu ada pertukaran antara mengintegrasikan lebih banyak untuk menjadi lebih kecil berbanding menggunakan litar bersepadu (IC) yang lebih diskrit untuk mendapatkan fleksibiliti.
Cabaran No. 3: Memanjangkan masa bersedia
Waktu tunggu adalah penting kerana pengguna mengharapkan alat dengar mereka siap untuk memainkan muzik walaupun lama dalam keadaan tidak aktif di luar cas pengecasan. Pertimbangkan untuk menggunakan sel Li-ion berketumpatan tenaga yang lebih tinggi di earbud, yang biasanya dilengkapi dengan voltan yang lebih tinggi seperti 4.35 V dan 4.4 V, dan dengan itu mengemas lebih banyak tenaga. Caj yang lebih lengkap juga akan meningkatkan masa bersedia. Pengecas bateri yang mempunyai arus penamatan kecil dengan ketepatan tinggi juga akan membantu memperpanjang masa siap sedia. Sekiranya spesifikasi arus penamatan mempunyai variasi yang luas, anda mungkin akan mendapat arus penamatan di sisi yang lebih tinggi, yang mengakibatkan penamatan awal dan bateri yang tidak habis.
Rajah 3 menunjukkan kes di mana bateri 41-mAh berakhir pada 1 mA berbanding 4 mA. Sekiranya arus penamatan 1-mA nominal mempunyai variasi yang luas dan benar-benar berakhir pada 4 mA, kapasiti bateri 2-mAh akan tetap tidak digunakan. Arus penamatan yang lebih rendah dan ketepatan yang lebih tinggi meningkatkan kapasiti bateri yang berkesan.
Rajah 3: Bateri 41-mAh dengan arus penamatan nominal 1-mA sebenarnya berakhir pada 4 mA. (Imej: Texas Instruments Inc.)
Arus sunyi rendah (IQ) dalam mod kerja yang berbeza juga penting untuk membantu memperpanjang masa tunggu. Pengecas IC dengan jalan kuasa dan arus mod kapal yang hampir sifar akan mengelakkan bateri daripada habis sebelum produk sampai ke pengguna, menyokong penggunaan segera. Laluan daya memerlukan penempatan logam-oksida Semikonduktor kesan medan Transistor (mosfet) antara bateri dan sistem untuk menguruskan sistem dan laluan bateri secara berasingan.
Semasa earbud memainkan muzik atau tidak aktif, penggunaan semasa sistem perlu sekecil mungkin. Cari pengecas yang mempunyai I rendahQ dan juga meminimumkan I sistemQ. Contohnya, pengecas bateri sering memerlukan pekali suhu negatif (NTC) Perintang rangkaian untuk mengukur suhu bateri. Pengecas BQ21061 dan BQ25155 dari Texas Instruments, misalnya, menyatukan sumber semasa untuk memintas rangkaian perintang, yang boleh dimatikan ketika tidak melakukan pengukuran.
Beberapa penyelesaian di pasaran tidak dapat mematikan arus NTC ketika beroperasi dalam mod bateri. Mereka akan mengalami kebocoran berlebihan (kebocoran dapat mencapai lebih dari 200 µA ketika jaringan NTC mempunyai 20 kΩ dari voltan bias ke tanah) atau memerlukan input / output tambahan dan beralih untuk mematikannya.
Cabaran No. 4: Merancang untuk keselamatan
Pengeluar pek bateri biasanya mempunyai garis panduan untuk mengecas bateri mereka pada suhu yang berbeza, dan adalah penting untuk bateri kekal dalam zon operasi selamat ini semasa digunakan. Sesetengahnya memerlukan profil standard di mana pengecasan berhenti di luar sempadan suhu sejuk dan panas. Orang lain mungkin memerlukan profil khusus dari Jepun Elektronik Maklumat Teknologi Persatuan, contohnya. Untuk mematuhi profil suhu ini, cari bateri dengan profil terbina dalam yang diperlukan atau beberapa I2Pengaturcaraan C. BQ21061 dan BQ25155 memiliki daftar untuk mengatur tetingkap suhu dan tindakan yang harus dilakukan dalam julat suhu tertentu.
Penguncian undervoltage bateri (UVLO) adalah satu lagi ciri keselamatan, menjadikan bateri tidak berlebihan dan dengan itu menjadi tekanan. UVLO memotong jalan pelepasan setelah voltan bateri berada di bawah ambang tertentu. Sebagai contoh, untuk bateri Li-ion yang mempunyai voltan pengisian penuh 4.2-V, ambang pemotongan biasa ialah 2.8 V hingga 3 V.
Cabaran No. 5: Memastikan kebolehpercayaan sistem
Kebolehpercayaan sistem yang rendah boleh menyebabkan beberapa mikropemproses tersekat ketika pengguna memasang penyesuai. Walaupun ini jarang berlaku, ia memerlukan tetapan semula sistem agar mikropemproses dapat dihidupkan semula dan kembali normal. Beberapa pengecas bateri mengintegrasikan pemasa pengawas tetapan semula perkakasan yang melakukan tetapan semula perkakasan atau kitaran kuasa jika tidak I2Transaksi C dikesan untuk beberapa lama setelah pengguna memasang penyesuai. Setelah sistem diset semula, jalur kuasa memutuskan dan menyambungkan semula bateri dan sistem.
Sama seperti pemasa pengawas tetapan semula perkakasan, pemasa pengawas perisian tradisional juga membantu meningkatkan kebolehpercayaan sistem dengan menetapkan semula daftar pengecas ke nilai lalai setelah tempoh tanpa transaksi di I2C. Tetapan semula ini menghalang pengecasan bateri palsu semasa mikropemproses berada dalam keadaan yang salah.
Cabaran No. 6: Memantau zon operasi yang optimum
Cabaran keenam adalah untuk memantau parameter sistem, yang dapat dilakukan penukar analog-ke-digital berketepatan tinggi (ADC) dengan cekap. Mengukur voltan bateri adalah parameter yang baik kerana ia menyatakan keadaan pengisian bateri dengan mudah, walaupun dengan cara yang hampir. Sebagai peraturan, anda memerlukan IC alat pengukur bateri khusus jika alat dengar tanpa wayar memerlukan keadaan cas yang lebih tinggi daripada ± 5%.
ADC terpadu berketepatan tinggi juga membolehkan anda memantau suhu bateri dan papan semasa mengecas dan melepaskan dan mengambil tindakan. Parameter lain yang boleh dipantau oleh pengecas termasuk voltan / arus input, voltan / arus cas dan voltan sistem. Pembanding terbina dalam juga berguna untuk membantu memantau parameter tertentu dan menghantar gangguan kepada hos. Tuan rumah tidak perlu selalu membaca parameter minat sekiranya parameter berada dalam had normal dan tidak mencetuskan pembanding. BQ25155 adalah contoh yang baik dari peranti yang dapat memantau parameter sistem, kerana ia mempunyai ADC dan pembanding.
Cabaran No. 7: Memudahkan penyambungan wayarles yang mudah
Rajah 4: Laporan keadaan caj TWS pada telefon pintar (Imej: Texas Instruments Inc.)
Beberapa alat dengar tanpa wayar mempunyai ciri untuk menunjukkan keadaan pengisian kedua earbud dan cas pengecasan pada telefon pintar ketika earbud berada di dalam cas pengecasan dan penutupnya terbuka. Untuk menyokong ciri ini, earbud harus melaporkan keadaan pengisian dengan serta-merta ketika dimasukkan ke dalam casing, walaupun bateri habis. Cip utama harus berjaga-jaga untuk melaporkan keadaan pengisian, jadi dalam keadaan ini sumber luaran harus memberi kuasa pada earbud. Pengecas yang mempunyai jalan kuasa membolehkan sistem mempunyai voltan yang lebih tinggi dari VBUS semasa mengecas bateri pada voltan yang lebih rendah.
Beberapa ciri untuk pengecas set kepala wayarles – seperti mod kapal, tetapan semula kuasa sistem, UVLO bateri, arus penamatan yang tepat dan pelaporan keadaan cas segera – tidak boleh dilakukan tanpa ciri laluan kuasa, yang memerlukan penempatan MOSFET antara bateri dan sistem untuk menguruskan sistem dan laluan bateri secara berasingan. Rajah 5 menggambarkan pengecas dengan dan tanpa laluan kuasa.
Adalah biasa untuk melihat pengecas beralih dan linear dalam reka bentuk cas pengecasan, bergantung pada saiz bateri dan kadar pengecasan. Pengecas pensuisan mempunyai kecekapan yang lebih tinggi dan menghasilkan lebih sedikit haba, yang penting untuk arus besar 700 mA dan lebih tinggi. Menghidupkan pengecas biasanya dilengkapi dengan fungsi penguat bersepadu atau on-the-go, yang dapat meningkatkan voltan bateri untuk memberikan voltan input untuk pengisian telinga. Pengecas linier juga merupakan pilihan yang baik untuk kes bateri pada tahap semasa yang lebih rendah, kerana ia menawarkan kos rendah dan I rendahQ.
Alat bantu pendengaran boleh dicas semula mempunyai cabaran reka bentuk yang serupa. Ia selalunya lebih kecil daripada fon telinga supaya kelihatan tidak kelihatan, dan oleh itu memerlukan lebih banyak penyepaduan kuasa di kawasan yang lebih kecil. Mereka juga memerlukan rel kuasa bunyi rendah, termasuk satu dengan suis kapasitor topologi, untuk kejelasan audio yang unggul.
Rajah 5: Pengecas bateri dengan dan tanpa jalan kuasa (Texas Instruments Inc.)
IC pengecas bateri akan tetap menjadi elemen penting dalam reka bentuk produk TWS kerana pengeluar terus mencari prestasi, ciri, dan peningkatan ukuran. Pastikan anda mempertimbangkan pengecas berprestasi tinggi untuk cabaran yang dibincangkan dalam artikel ini.
Sumber tambahan
- Baca laporan permohonan ini:
- "Pengisian Berkecekapan Tinggi untuk TWS Menggunakan Antaramuka 2 Pin."
- "Reka Bentuk Faktor Bentuk Kecil Dua Lapisan BQ21061 untuk PCB yang Dioptimumkan Kos."
- Muat turun alat persediaan BQ25155 untuk menghasilkan kod mikrokontroler untuk nilai yang diprogramkan.
- Cari IC pengecas bateri TI yang tepat untuk reka bentuk anda yang seterusnya.
mengenai Texas Instruments