De markt voor echte draadloze stereo (TWS) is geëxplodeerd en groeit elk jaar met meer dan 50% sinds de introductie van de Apple AirPods in 2016. Fabrikanten van deze populaire draadloze headsets voegen snel meer functies toe (ruisonderdrukking, slaap- en gezondheidsmonitoring) om hun producten te onderscheiden, maar het toevoegen van al deze functies kan moeilijk zijn vanuit een ontwerptechnisch perspectief. In dit artikel zal ik deze uitdagingen bespreken.
Fig. 1: Voorbeeld van een echte draadloze stereotoepassing met oordopjes en oplaadetui (Afbeelding: Texas Instruments Inc.)
Uitdaging nr. 1: Stroomverlies minimaliseren met efficiënt opladen
Een primaire uitdaging voor draadloze headsets is om een langere totale afspeeltijd te bereiken nadat de oordopjes volledig zijn opgeladen in de batterijhouder. In dit geval vertaalt een langere totale afspeeltijd zich in het aantal cycli dat de case de oordopjes gedurende de hele levensduur kan opladen. Het doel is om uiterst efficiënt opladen te bereiken en tegelijkertijd het stroomverlies van de oplaadcassette naar de oordopjes te minimaliseren.
De oplaadcassette geeft een spanning, afgeleid van de batterij, die dient als invoer om de oordopjes op te laden. Het typische schema is een boost omvormer die een vaste 5 V levert, wat een eenvoudige oplossing is, maar de laadefficiëntie niet optimaliseert. Omdat oordopjes erg kleine batterijen hebben, gebruiken ontwerpers vaak lineaire opladers. Het laadrendement bij gebruik van een vaste ingang van 5 V is laag – ongeveer (VIN-VBAT)/VIN - en creëert een grote uitvalspanning naar de batterij. Als je de gemiddelde lithium-ion (Li-ion) batterijspanning van 3.6 V (half ontladen) inplugt, komt de efficiëntie met een 5-V-ingang op slechts 72% lading.
Omgekeerd zorgt het gebruik van een instelbare output-boost of een buck-boost-converter in de oplaadcassette voor een spanning die net boven het typische spanningsbereik van de oordopjes ligt. Dit vereist communicatie van de oplaadcassette naar de oordopjes, waardoor de uitgangsspanning van de oplaadcassette zich dynamisch kan aanpassen aan de batterij van de oordopjes naarmate de spanning toeneemt. Dit minimaliseert de uitval, verhoogt de laadefficiëntie en vermindert de warmte aanzienlijk. Fig 2 toont een voorbeeld van een dergelijk systeem.
Afb. 2: Hoogrenderend oplaadsysteem voor een draadloze headset met een twee-pins interface (Bron: TI-toepassingsrapport SLUAA04)
Uitdaging nr. 2: De totale grootte van de oplossing verkleinen zonder functies te verwijderen
De tweede uitdaging is een universele uitdaging voor kleine batterijontwerpen - hoe te ontwerpen voor zowel klein formaat als grotere functionaliteit. De eenvoudige oplossing hier is om apparaten te kiezen met meer geïntegreerde componenten. Bijvoorbeeld:
- Een krachtige lineaire oplader die extra stroomrails integreert om de belangrijkste systeemblokken te voeden, is een goede optie voor draadloze headsets.
- Voor stroomverslindende en laagspanningsblokken zoals processors en draadloze communicatiemodules zijn schakelrails de beste keuze voor efficiëntie.
- Voor sensor blokken die niet veel stroom nodig hebben, maar wel een laag geluidsniveau vereisen, overweeg dan low-dropout-regelaars.
- Als de draadloze headset analoge front-end sensoren integreert om de bloedzuurstof en hartslag te meten, hebt u mogelijk ook een boost-converter nodig.
De integratie van extra stroomrails in de oplader maakt een kleinere vormfactor mogelijk. Er is echter altijd een afweging tussen meer integreren om kleiner te worden versus het gebruik van meer discrete geïntegreerde schakelingen (IC's) om flexibiliteit te verkrijgen.
Uitdaging nr. 3: Standbytijd verlengen
Stand-bytijd is belangrijk omdat consumenten verwachten dat hun headsets klaar zijn om muziek af te spelen, zelfs na lange tijd inactief te zijn buiten de oplaadcassette. Overweeg het gebruik van Li-ion-cellen met een hogere energiedichtheid in de oordopjes, die meestal worden geleverd met hogere spanningen zoals 4.35 V en 4.4 V, en dus meer energie bevatten. Een vollere lading zal ook de standby-tijd verlengen. Een batterijlader met een kleine afsluitstroom met hoge nauwkeurigheid zal ook helpen de standby-tijd te verlengen. Als de specificatie van de afsluitstroom een grote variatie heeft, kan het zijn dat u de afsluitstroom aan de hogere kant krijgt, wat resulteert in vroegtijdige beëindiging en een te weinig opgeladen batterij.
Fig 3 toont een geval waarin een 41-mAh-batterij eindigt op 1 mA versus 4 mA. Als de nominale afsluitstroom van 1 mA een grote variatie heeft en daadwerkelijk eindigt bij 4 mA, blijft een batterijcapaciteit van 2 mAh onbenut. Een lagere afsluitstroom en hogere nauwkeurigheid verhoogt de effectieve batterijcapaciteit.
Fig. 3: Een 41 mAh-accu met een nominale afsluitstroom van 1 mA eindigt in feite bij 4 mA. (Afbeelding: Texas Instruments Inc.)
Lage ruststroom (IQ) in verschillende werkmodi is ook belangrijk om de standby-tijden te verlengen. Een oplader IC met een stroompad en bijna nul scheepsstroom zal voorkomen dat de batterij leeg raakt voordat het product bij de consument komt, wat onmiddellijk gebruik ondersteunt. Krachtpad omvat de plaatsing van een metaaloxide Halfgeleider veldeffect Transistor (mosfet) tussen de batterij en het systeem om het systeem en de batterijpaden afzonderlijk te beheren.
Wanneer de oordopjes muziek afspelen of inactief zijn, moet het stroomverbruik van het systeem zo laag mogelijk zijn. Zoek naar een oplader met een lage IQ en minimaliseert ook de I . van het systeemQ. Zo hebben acculaders vaak een negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) nodig Weerstand netwerk om de batterijtemperatuur te meten. De opladers BQ21061 en BQ25155 van Texas Instruments integreren bijvoorbeeld een stroombron om het weerstandsnetwerk voor te spannen, wat uit kan zijn wanneer er geen metingen worden verricht.
Sommige oplossingen op de markt kunnen de NTC-stroom niet uitschakelen wanneer ze in batterijmodus werken. Ze zullen ofwel overmatige lekkage hebben (de lekkage kan oplopen tot meer dan 200 A wanneer het NTC-netwerk 20 kΩ heeft van de voorspanning naar aarde) of een extra ingang/uitgang en schakelaar nodig hebben om het uit te schakelen.
Uitdaging nr. 4: Ontwerpen voor veiligheid
Fabrikanten van accu's hebben doorgaans richtlijnen voor het opladen van hun accu's bij verschillende temperaturen, en het is absoluut noodzakelijk dat de accu tijdens gebruik in deze veilige gebruikszones blijft. Sommige vereisen een standaardprofiel waarbij het opladen stopt buiten de grenzen van koude en warme temperaturen. Anderen hebben mogelijk specifieke profielen uit Japan nodig elektronisch Informatie Technologie Associatie bijvoorbeeld. Om aan deze temperatuurprofielen te voldoen, zoekt u naar batterijen met het benodigde ingebouwde profiel of een aantal I2C programmeerbaarheid. De BQ21061 en BQ25155 hebben registers om het temperatuurvenster in te stellen en acties die moeten worden ondernomen in specifieke temperatuurbereiken.
Batterijonderspanningsvergrendeling (UVLO) is een andere veiligheidsfunctie, die voorkomt dat de batterij overbelast raakt en dus wordt belast. UVLO onderbreekt het ontladingspad zodra de accuspanning onder een bepaalde drempel komt. Voor een Li-ion-accu met een volledige laadspanning van 4.2 V is een gebruikelijke uitschakeldrempel bijvoorbeeld 2.8 V tot 3 V.
Uitdaging nr. 5: De betrouwbaarheid van het systeem waarborgen
Een lage systeembetrouwbaarheid kan ertoe leiden dat sommige microprocessors vastlopen wanneer de consument de adapter aansluit. Hoewel dit zeldzaam is, is een reset van de systeemvoeding vereist, zodat de microprocessor opnieuw kan opstarten en weer normaal kan worden. Sommige batterijladers integreren een hardware reset watchdog timer die een hardware reset of power cycling uitvoert als er geen I2C-transactie wordt enige tijd gedetecteerd nadat de consument de adapter heeft aangesloten. Bij het resetten van het systeem wordt het stroompad losgekoppeld en opnieuw aangesloten op de batterij en het systeem.
Net als een hardware-reset watchdog-timer, helpt een traditionele software-watchdog-timer ook de systeembetrouwbaarheid te vergroten door de laderregisters opnieuw in te stellen op standaardwaarden na een periode van geen transacties in I2C. Deze reset voorkomt foutief opladen van de batterij wanneer de microprocessor zich in een storing bevindt.
Uitdaging nr. 6: Optimale bedieningszones bewaken
De zesde uitdaging is om de systeemparameters te bewaken, wat een ingebouwde, zeer nauwkeurige analoog-naar-digitaalomzetter (ADC) efficiënt kan doen. Het meten van de accuspanning is een goede parameter omdat het de laadtoestand van de accu gemakkelijk weergeeft, zij het bij benadering. Als vuistregel hebt u een speciale IC voor de batterijmeter nodig als de draadloze headset een oplaadstatus van meer dan ±5% nodig heeft.
Een zeer nauwkeurige ingebouwde ADC stelt u ook in staat om de temperatuur van de batterij en het bord tijdens het laden en ontladen te bewaken en actie te ondernemen. Andere parameters die een lader kan bewaken zijn onder meer ingangsspanning/stroom, laadspanning/stroom en systeemspanning. Ingebouwde comparators zijn ook handig om specifieke parameters te bewaken en een interrupt naar de host te sturen. De host hoeft niet constant parameters van belang te lezen als de parameters binnen de normale limieten vallen en de comparatoren niet activeren. De BQ25155 is een goed voorbeeld van een apparaat dat systeemparameters kan bewaken, omdat het een ADC en comparators heeft.
Uitdaging nr. 7: gemakkelijke draadloze connectiviteit mogelijk maken
Fig. 4: TWS-statusrapport op een smartphone (Afbeelding: Texas Instruments Inc.)
Sommige draadloze headsets hebben een functie om de oplaadstatus van zowel de oordopjes als de oplaadcassette op een smartphone weer te geven wanneer de oordopjes in de oplaadcassette zitten en het deksel open is. Om deze functie te ondersteunen, moeten de oordopjes de oplaadstatus onmiddellijk melden wanneer ze in de case worden geplaatst, zelfs als de batterijen diep ontladen zijn. De hoofdchip moet wakker zijn om de laadstatus te melden, dus in dit geval moet een externe bron de oordopjes van stroom voorzien. Laders met een stroompad zorgen ervoor dat het systeem een hogere spanning van VBUS kan hebben terwijl de batterij met een lagere spanning wordt opgeladen.
Verschillende functies voor opladers voor draadloze hoofdtelefoons – zoals verzendmodus, systeemstroomreset, batterij-UVLO, nauwkeurige eindstroom en onmiddellijke rapportage van de laadstatus – zijn niet mogelijk zonder een voedingspadfunctie, wat de plaatsing van een MOSFET tussen de batterij en het systeem om het systeem en de batterijpaden afzonderlijk te beheren. Fig 5 illustreert laders met en zonder het stroompad.
Het is gebruikelijk om zowel schakelende als lineaire opladers te zien in een oplaadcassette-ontwerp, afhankelijk van de batterijgrootte en oplaadsnelheid. Schakelende laders hebben een hoger rendement en genereren minder warmte, wat belangrijk is bij grote stromen van 700 mA en hoger. Wisselende opladers worden meestal geleverd met een geïntegreerde boost- of on-the-go-functie, die de batterijspanning kan verhogen om een ingangsspanning te leveren voor de oordopjes om op te laden. Lineaire opladers zijn ook goede keuzes voor batterijbehuizingen bij lagere stroomniveaus, omdat ze lage kosten en lage I . biedenQ.
Oplaadbare hoortoestellen hebben vergelijkbare ontwerpuitdagingen. Ze zijn vaak kleiner dan oordopjes zodat ze onzichtbaar lijken, en hebben dus meer stroomintegratie nodig op een kleiner gebied. Ze vereisen ook geluidsarme stroomrails, waaronder een met schakeling condensator topologie, voor superieure audiohelderheid.
Afb. 5: Acculaders met en zonder stroompad (Texas Instruments Inc.)
Het IC van de batterijlader zal een belangrijk element blijven in TWS-productontwerpen, aangezien fabrikanten blijven zoeken naar verbeteringen in prestaties, functies en afmetingen. Overweeg krachtige opladers voor de uitdagingen die in dit artikel worden besproken.
Extra middelen
- Lees deze toepassingsrapporten:
- "Hoogrendement opladen voor TWS met behulp van een 2-pins interface."
- "BQ21061 Tweelaags ontwerp met kleine vormfactor voor kostengeoptimaliseerde PCB's."
- Download de BQ25155-setuptool om een microcontrollercode voor geprogrammeerde waarden te genereren.
- Zoek naar de juiste TI-batterijlader-IC voor uw volgende ontwerp.
over Texas Instruments