O verdadeiro mercado de estéreo sem fio (TWS) explodiu, crescendo a uma taxa estimada de mais de 50% a cada ano desde o lançamento dos Apple AirPods em 2016. Os fabricantes desses populares fones de ouvido sem fio estão adicionando rapidamente mais recursos (cancelamento de ruído, hibernação e monitoramento de integridade) para diferenciar seus produtos, mas adicionar todos esses recursos pode ser difícil do ponto de vista da engenharia de projeto. Neste artigo, revisarei esses desafios.
Fig. 1: Exemplo de um verdadeiro aplicativo estéreo sem fio com fones de ouvido e estojo de carregamento (Imagem: Texas Instruments Inc.)
Desafio nº 1: minimizar a perda de energia com carregamento eficiente
O principal desafio dos fones de ouvido sem fio é atingir um tempo total de reprodução mais longo após carregar totalmente os fones de ouvido no estojo da bateria. Nesse caso, um tempo total de reprodução maior se traduz no número de ciclos que o case pode carregar os fones de ouvido durante sua vida útil. O objetivo é obter um carregamento de alta eficiência e, ao mesmo tempo, minimizar a perda de energia do estojo de carregamento para os fones de ouvido.
O estojo de carregamento emite um Voltagem, derivado de sua bateria, que serve como entrada para carregar os fones de ouvido. O esquema típico é um impulso conversor que produz 5 V fixos, que é uma solução simples, mas não otimiza a eficiência de carregamento. Como os fones de ouvido têm baterias muito pequenas, os designers costumam empregar carregadores lineares. A eficiência de carregamento ao usar uma entrada fixa de 5 V é baixa - aproximadamente (VIN-VBAT) / VIN - e cria uma grande queda de tensão na bateria. Conectando a voltagem média da bateria de íon de lítio (Li-ion) de 3.6 V (descarregada até a metade), a eficiência com uma entrada de 5 V chega a apenas 72% da carga.
Por outro lado, usar um aumento de saída ajustável ou um conversor buck-boost no estojo de carregamento cria uma voltagem um pouco acima da faixa de voltagem típica dos fones de ouvido. Isso requer comunicação do estojo de carregamento com os fones de ouvido, o que permite que a tensão de saída do estojo de carregamento se ajuste dinamicamente à bateria dos fones de ouvido conforme a tensão aumenta. Isso irá minimizar a queda, aumentar a eficiência de carregamento e reduzir o calor significativamente. FIG. 2 mostra um exemplo de tal sistema.
Fig. 2: Sistema de carregamento de alta eficiência para um fone de ouvido sem fio usando uma interface de dois pinos (Fonte: relatório do aplicativo TI SLUAA04)
Desafio nº 2: Reduzindo o tamanho geral da solução sem remover recursos
O segundo desafio é universal para designs de baterias pequenas - como projetar para tamanho pequeno e maior funcionalidade. A solução simples aqui é escolher dispositivos com componentes mais integrados. Por exemplo:
- Um carregador linear de alto desempenho que integra trilhos de alimentação adicionais para alimentar os blocos principais do sistema é uma boa opção para fones de ouvido sem fio.
- Para blocos que consomem muita energia e de baixa tensão, como processadores e módulos de comunicação sem fio, os trilhos de comutação são a melhor escolha para eficiência.
- Escolha sensor blocos que não precisam de muita energia, mas requerem baixo ruído, considere reguladores de baixa queda.
- Se o fone de ouvido sem fio integra sensores front-end analógicos para medir o oxigênio no sangue e a frequência cardíaca, também pode ser necessário um conversor de reforço.
A integração de trilhos de alimentação extras no carregador permite um formato menor. Sempre há uma compensação, no entanto, entre integrar mais para ficar menor e usar mais circuitos integrados discretos (ICs) para ganhar flexibilidade.
Desafio nº 3: Estendendo o tempo de espera
O tempo de espera é importante porque os consumidores esperam que seus fones de ouvido estejam prontos para reproduzir música, mesmo depois de ficarem inativos por um longo tempo fora do estojo de carregamento. Considere o emprego de células de íon-lítio de alta densidade de energia nos fones de ouvido, que geralmente vêm com voltagens mais altas, como 4.35 V e 4.4 V, e, portanto, embalam mais energia. Uma carga mais completa também aumentará o tempo de espera. Um carregador de bateria que apresenta uma pequena corrente de terminação com alta precisão também ajudará a estender o tempo de espera. Se a especificação da corrente de terminação tiver uma grande variação, você pode acabar obtendo a corrente de terminação no lado superior, o que resulta em terminação antecipada e uma bateria com carga insuficiente.
FIG. 3 mostra um caso em que uma bateria de 41 mAh termina em 1 mA vs. 4 mA. Se a corrente de terminação nominal de 1 mA tiver uma grande variação e realmente terminar em 4 mA, a capacidade da bateria de 2 mAh permanecerá inexplorada. Uma corrente de terminação mais baixa e maior precisão aumentam a capacidade efetiva da bateria.
Fig. 3: Uma bateria de 41 mAh com corrente de terminação nominal de 1 mA termina em 4 mA. (Imagem: Texas Instruments Inc.)
Baixa corrente quiescente (IQ) em diferentes modos de trabalho também é importante para ajudar a estender os tempos de espera. Um carregador IC com um caminho de alimentação e corrente quase zero em modo de envio impedirá que a bateria descarregue antes que o produto chegue ao consumidor, facilitando o uso imediato. O caminho de energia envolve a colocação de um óxido de metal Semicondutores efeito de campo Transistor (mosfet) entre a bateria e o sistema para gerenciar o sistema e os caminhos da bateria separadamente.
Quando os fones de ouvido estão reproduzindo música ou inativos, o consumo de corrente do sistema deve ser o menor possível. Procure um carregador com baixo IQ e também minimiza o I do sistemaQ. Por exemplo, os carregadores de bateria geralmente precisam de um coeficiente de temperatura negativo (NTC) Resistor rede para medir a temperatura da bateria. Os carregadores BQ21061 e BQ25155 da Texas Instruments, por exemplo, integram uma fonte de corrente para polarizar a rede de resistores, que pode ficar desligada quando não estiver fazendo medições.
Algumas soluções no mercado não podem desligar a corrente NTC ao operar no modo de bateria. Eles terão vazamento excessivo (o vazamento pode chegar a mais de 200 µA quando a rede NTC tem 20 kΩ da tensão de polarização para o terra) ou requerem uma entrada / saída extra e um interruptor para desligá-la.
Desafio nº 4: Projetando para segurança
Os fabricantes de baterias geralmente têm diretrizes para carregar suas baterias em diferentes temperaturas e é fundamental que a bateria permaneça nessas zonas operacionais seguras durante o uso. Alguns exigem um perfil padrão onde o carregamento é interrompido fora dos limites de temperatura fria e quente. Outros podem exigir perfis específicos do Japão Eletrônico Dados Pessoais Equipar Associação, por exemplo. Para estar em conformidade com esses perfis de temperatura, procure baterias com o perfil integrado necessário ou algum I2Programação em C. O BQ21061 e o BQ25155 têm registros para definir a janela de temperatura e as ações a serem tomadas em faixas de temperatura específicas.
O bloqueio de subtensão da bateria (UVLO) é outro recurso de segurança, evitando que a bateria descarregue demais e, portanto, fique estressada. UVLO corta o caminho de descarga uma vez que a tensão da bateria desce abaixo de um certo limite. Por exemplo, para uma bateria de íon-lítio com tensão de carga total de 4.2 V, um limite de corte comum é de 2.8 V a 3 V.
Desafio nº 5: Garantir a confiabilidade do sistema
A baixa confiabilidade do sistema pode fazer com que alguns microprocessadores travem quando o consumidor se conecta ao adaptador. Embora isso seja raro, é necessário reiniciar o sistema para que o microprocessador possa reiniciar e voltar ao normal. Alguns carregadores de bateria integram um temporizador de watchdog de reinicialização de hardware que executa uma reinicialização de hardware ou reinicialização se não2A transação C é detectada por algum tempo depois que o consumidor se conecta ao adaptador. Após a reinicialização do sistema, o caminho de energia se desconecta e reconecta a bateria e o sistema.
Semelhante a um cronômetro de watchdog de redefinição de hardware, um cronômetro de watchdog de software tradicional também ajuda a aumentar a confiabilidade do sistema, redefinindo os registros do carregador para os valores padrão após um período sem transações em I2C. Este reset evita o falso carregamento da bateria quando o microprocessador está em uma condição de falha.
Desafio nº 6: monitoramento de zonas operacionais ideais
O sexto desafio é monitorar os parâmetros do sistema, o que um conversor analógico-digital (ADC) integrado de alta precisão pode fazer com eficiência. Medir a tensão da bateria é um bom parâmetro porque expressa o estado de carga da bateria de forma conveniente, embora de forma aproximada. Como regra geral, você precisará de um CI de medidor de bateria dedicado se o fone de ouvido sem fio exigir um estado de carga superior a ± 5%.
Um ADC integrado de alta precisão também permite que você monitore a temperatura da bateria e da placa durante o carregamento e o descarregamento e tome medidas. Outros parâmetros que um carregador pode monitorar incluem tensão / corrente de entrada, tensão / corrente de carga e tensão do sistema. Os comparadores integrados também são convenientes para ajudar a monitorar parâmetros específicos e enviar uma interrupção ao host. O host não precisa ler parâmetros de interesse constantemente se os parâmetros estiverem dentro dos limites normais e não acionarem os comparadores. O BQ25155 é um bom exemplo de dispositivo que pode monitorar os parâmetros do sistema, pois possui um ADC e comparadores.
Desafio nº 7: Facilitando a conectividade sem fio fácil
Fig. 4: Relatório de estado de carga do TWS em um smartphone (Imagem: Texas Instruments Inc.)
Alguns fones de ouvido sem fio têm um recurso para exibir o estado de carga dos fones de ouvido e do estojo de carregamento em um smartphone quando os fones de ouvido estão no estojo de carregamento e a tampa está aberta. Para oferecer suporte a esse recurso, os fones de ouvido devem relatar o estado da carga instantaneamente quando inseridos no estojo, mesmo se as baterias estiverem completamente descarregadas. O chip principal deve estar ativado para relatar o estado de carga, portanto, neste caso, uma fonte externa deve alimentar os fones de ouvido. Os carregadores que possuem um caminho de alimentação permitem que o sistema tenha uma tensão mais alta do VBUS enquanto carrega a bateria com uma tensão mais baixa.
Vários recursos para carregadores de fones de ouvido sem fio – como modo de envio, redefinição de energia do sistema, UVLO da bateria, corrente de terminação precisa e relatório instantâneo do estado de carga – não são possíveis sem um recurso de caminho de energia, o que implica a colocação de um MOSFET entre a bateria e o sistema para gerenciar os caminhos do sistema e da bateria separadamente. FIG. 5 ilustra carregadores com e sem caminho de alimentação.
É comum ver carregadores comutáveis e lineares em um design de caixa de carga, dependendo do tamanho da bateria e da taxa de carga. Os carregadores de comutação têm maior eficiência e geram menos calor, o que é importante para grandes correntes de 700 mA e superiores. Carregadores de comutação geralmente vêm com um reforço integrado ou função on-the-go, que pode aumentar a tensão da bateria para fornecer uma tensão de entrada para os fones de ouvido carregar. Carregadores lineares também são boas escolhas para caixas de bateria em níveis de corrente mais baixos, pois oferecem baixo custo e baixo IQ.
Os aparelhos auditivos recarregáveis apresentam desafios de design semelhantes. Eles geralmente são menores que os fones de ouvido para parecerem invisíveis e, portanto, precisam de mais integração de energia em uma área menor. Eles também exigem barramentos de energia de baixo ruído, incluindo um com chaveamento capacitor topologia, para clareza de áudio superior.
Fig. 5: Carregadores de bateria com e sem caminho de alimentação (Texas Instruments Inc.)
O IC do carregador de bateria permanecerá um elemento importante nos projetos de produtos TWS, à medida que os fabricantes continuam buscando melhorias de desempenho, recursos e tamanho. Certifique-se de considerar carregadores de alto desempenho para os desafios discutidos neste artigo.
Recursos adicionais
- Leia estes relatórios de aplicação:
- “Carregamento de alta eficiência para TWS usando uma interface de 2 pinos.”
- “BQ21061 Projeto de fator de forma pequeno de duas camadas para PCBs com custo otimizado.”
- Baixe a ferramenta de configuração BQ25155 para gerar um código de microcontrolador para os valores programados.
- Procure o IC carregador de bateria TI certo para o seu próximo projeto.
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