Рынок истинной беспроводной стереосистемы (TWS) резко вырос, ежегодно с момента выпуска Apple AirPods в 50 году он растет более чем на 2016%. Производители этих популярных беспроводных гарнитур быстро добавляют дополнительные функции (шумоподавление, спящий режим и т. Д.). мониторинг работоспособности), чтобы дифференцировать их продукты, но добавление всех этих функций может быть затруднено с точки зрения проектирования. В этой статье я рассмотрю эти проблемы.
Рис.1: Пример настоящего беспроводного стереоприложения с наушниками и зарядным чехлом (Изображение: Texas Instruments Inc.)
Задача № 1: минимизация потерь мощности за счет эффективной зарядки
Основная задача беспроводных гарнитур - увеличить общее время воспроизведения после полной зарядки наушников в батарейном отсеке. В этом случае более длительное общее время воспроизведения означает количество циклов, в течение которых чехол может заряжать наушники на протяжении всего срока службы. Цель состоит в том, чтобы добиться высокоэффективной зарядки с минимизацией потерь мощности от зарядного футляра до наушников.
Зарядный чехол выдает напряжение, полученный из его аккумулятора, который служит входом для зарядки наушников. Типовая схема - буст Преобразователь который выдает фиксированное напряжение 5 В, что является простым решением, но не оптимизирует эффективность зарядки. Поскольку в наушниках очень маленькие батареи, дизайнеры часто используют линейные зарядные устройства. Эффективность зарядки при использовании фиксированного входа 5 В низкая - примерно (ВIN-VНИМ) / VIN - и создает большое падение напряжения на батарее. При среднем напряжении литий-ионной (Li-ion) батареи 3.6 В (наполовину разряженной) эффективность при входном напряжении 5 В составляет всего 72% заряда.
И наоборот, использование регулируемого повышающего выходного сигнала или повышающего преобразователя в зарядном футляре создает напряжение чуть выше типичного диапазона напряжений наушников. Для этого требуется связь от зарядного футляра с наушниками, что позволяет выходному напряжению зарядного футляра динамически подстраиваться под аккумулятор наушников по мере увеличения напряжения. Это сведет к минимуму выпадение, повысит эффективность зарядки и значительно снизит нагрев. Рис 2 показывает пример такой системы.
Рис.2: Высокоэффективная система зарядки беспроводной гарнитуры с использованием двухконтактного интерфейса (Источник: отчет приложения TI SLUAA04)
Задача № 2: Уменьшение общего размера решения без удаления элементов
Вторая задача - это универсальная проблема для небольших батарей - как разработать как малый размер, так и большую функциональность. Простым решением здесь является выбор устройств с более интегрированными компонентами. Например:
- Высокопроизводительное линейное зарядное устройство с дополнительными шинами питания для питания основных системных блоков является хорошим вариантом для беспроводных гарнитур.
- Для энергоемких и низковольтных блоков, таких как процессоры и модули беспроводной связи, рельсы переключения являются лучшим выбором для повышения эффективности.
- Что касается датчик блоки, которые не требуют большой мощности, но требуют низкого уровня шума, рассмотрите регуляторы с малым падением напряжения.
- Если в беспроводную гарнитуру встроены аналоговые внешние датчики для измерения кислорода в крови и частоты сердечных сокращений, вам также может потребоваться повышающий преобразователь.
Интеграция дополнительных шин питания в зарядное устройство обеспечивает меньший форм-фактор. Однако всегда существует компромисс между интеграцией большего количества для уменьшения размера и использованием большего количества дискретных интегральных схем (ИС) для достижения гибкости.
Задача № 3: Увеличение времени ожидания
Время ожидания важно, потому что потребители ожидают, что их гарнитуры будут готовы воспроизводить музыку даже после длительного простоя вне зарядного футляра. Рассмотрите возможность использования литий-ионных элементов с более высокой плотностью энергии в наушниках, которые обычно имеют более высокое напряжение, например 4.35 В и 4.4 В, и, таким образом, содержат больше энергии. Более полная зарядка также увеличит время ожидания. Зарядное устройство с малым током завершения с высокой точностью также поможет продлить время ожидания. Если характеристики тока согласования сильно различаются, вы можете получить ток завершения на более высокой стороне, что приведет к преждевременному отключению и недозаряженной батарее.
Рис 3 показывает случай, когда батарея емкостью 41 мАч разряжается при 1 мА против 4 мА. Если номинальный ток оконечной нагрузки 1 мА сильно варьируется и фактически заканчивается на уровне 4 мА, емкость аккумулятора 2 мАч останется неиспользованной. Более низкий ток завершения и более высокая точность увеличивает эффективную емкость батареи.
Рис. 3: Аккумулятор емкостью 41 мАч с номинальным током нагрузки 1 мА фактически разряжается до 4 мА. (Изображение: Texas Instruments Inc.)
Низкий ток покоя (IQ) в различных режимах работы также важно для увеличения времени ожидания. Зарядное устройство IC с цепью питания и почти нулевым током в судовом режиме предотвратит разряд батареи до того, как продукт попадет к потребителю, поддерживая немедленное использование. Путь питания влечет за собой размещение оксида металла Полупроводниковое полевой эффект Транзистор (MOSFET) между батареей и системой для раздельного управления системой и путями батареи.
Когда наушники воспроизводят музыку или находятся в режиме ожидания, потребление тока системой должно быть как можно меньше. Ищите зарядное устройство с низким IQ а также минимизирует IQ. Например, зарядным устройствам часто требуется отрицательный температурный коэффициент (NTC). резистор сеть для измерения температуры батареи. Зарядные устройства BQ21061 и BQ25155 от Texas Instruments, например, объединяют источник тока для смещения цепи резисторов, которые могут быть отключены, когда измерения не проводятся.
Некоторые решения, представленные на рынке, не могут отключить ток NTC при работе от батареи. У них либо будет чрезмерная утечка (утечка может достигать более 200 мкА, когда в сети NTC есть 20 кОм от напряжения смещения на землю), либо потребуется дополнительный вход / выход и переключатель для его отключения.
Задача № 4: проектирование для обеспечения безопасности
Производители аккумуляторных блоков обычно имеют инструкции по зарядке аккумуляторов при различных температурах, и крайне важно, чтобы аккумулятор оставался в этих безопасных рабочих зонах во время использования. Некоторым требуется стандартный профиль, при котором зарядка прекращается за пределами границ низких и высоких температур. Другим могут потребоваться конкретные профили из Японии. Электронный Информация Технологии Ассоциация, например. Чтобы соответствовать этим температурным профилям, ищите батареи с необходимым встроенным профилем или каким-либо другим.2Программируемость на C. BQ21061 и BQ25155 имеют регистры для установки температурного окна и действий, которые необходимо предпринять в определенных температурных диапазонах.
Блокировка пониженного напряжения батареи (UVLO) - еще одна функция безопасности, предохраняющая батарею от чрезмерной разрядки и, следовательно, стресса. UVLO перекрывает путь разряда, когда напряжение батареи падает ниже определенного порога. Например, для литий-ионного аккумулятора с напряжением полной зарядки 4.2 В общий порог отключения составляет от 2.8 до 3 В.
Задача № 5: Обеспечение надежности системы
Низкая надежность системы может привести к зависанию некоторых микропроцессоров, когда потребитель подключает адаптер. Хотя это случается редко, для этого требуется перезагрузка системы, чтобы микропроцессор мог перезагрузиться и вернуться в нормальное состояние. Некоторые зарядные устройства имеют встроенный сторожевой таймер аппаратного сброса, который выполняет аппаратный сброс или цикл питания, если нет.2Транзакция C обнаруживается в течение некоторого времени после того, как потребитель подключает адаптер. После сброса системы путь питания отключается и снова подключает батарею и систему.
Подобно сторожевому таймеру аппаратного сброса, традиционный программный сторожевой таймер также помогает повысить надежность системы, сбрасывая регистры зарядного устройства до значений по умолчанию после периода отсутствия транзакций в I2C. Этот сброс предотвращает ложную зарядку батареи, когда микропроцессор находится в неисправном состоянии.
Задача № 6: Мониторинг оптимальных рабочих зон
Шестая задача - контролировать параметры системы, что может эффективно выполнять встроенный высокоточный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Измерение напряжения аккумулятора - хороший параметр, поскольку он удобно, хотя и приблизительно, отражает состояние заряда аккумулятора. Как правило, вам понадобится специальная микросхема для измерения заряда батареи, если для беспроводной гарнитуры требуется уровень заряда выше ± 5%.
Встроенный высокоточный АЦП также позволяет вам контролировать температуру батареи и платы во время зарядки и разрядки и принимать меры. Другие параметры, которые может контролировать зарядное устройство, включают входное напряжение / ток, напряжение / ток заряда и напряжение системы. Встроенные компараторы также удобны для отслеживания определенных параметров и отправки прерывания на хост. Хосту не нужно постоянно читать интересующие параметры, если параметры находятся в нормальных пределах и не запускают компараторы. BQ25155 - хороший пример устройства, которое может контролировать параметры системы, поскольку оно имеет АЦП и компараторы.
Задача № 7: облегчение беспроводного подключения
Рис.4: Отчет о состоянии заряда TWS на смартфоне (Изображение: Texas Instruments Inc.)
Некоторые беспроводные гарнитуры имеют функцию отображения состояния заряда как наушников, так и футляра для зарядки на смартфоне, когда наушники находятся в футляре для зарядки и крышка открыта. Для поддержки этой функции наушники должны немедленно сообщать о состоянии заряда, когда они вставлены в футляр, даже если батареи сильно разряжены. Главный чип должен быть активным, чтобы сообщать о состоянии заряда, поэтому в этом случае внешний источник должен питать наушники. Зарядные устройства, у которых есть путь питания, позволяют системе получать более высокое напряжение от VBUS при зарядке аккумулятора при более низком напряжении.
Некоторые функции зарядных устройств для беспроводных гарнитур, такие как режим поставки, сброс питания системы, UVLO батареи, точный ток завершения и мгновенный отчет о состоянии заряда, невозможны без функции канала питания, которая влечет за собой размещение зарядного устройства для беспроводных гарнитур. МОП-транзистор между аккумулятором и системой для раздельного управления системой и аккумулятором. Рис 5 показаны зарядные устройства с трактом питания и без него.
В конструкции зарядного устройства часто встречаются как коммутирующие, так и линейные зарядные устройства, в зависимости от размера аккумулятора и скорости зарядки. Импульсные зарядные устройства имеют более высокий КПД и выделяют меньше тепла, что важно для больших токов 700 мА и выше. Переключаемые зарядные устройства обычно имеют встроенную функцию ускорения или работы на ходу, которая может повысить напряжение аккумулятора, чтобы обеспечить входное напряжение для зарядки наушников. Линейные зарядные устройства также являются хорошим выбором для батарейных отсеков при более низких уровнях тока, поскольку они предлагают низкую стоимость и низкий ток I.Q.
Перезаряжаемые слуховые аппараты имеют схожие проблемы с конструкцией. Они часто меньше наушников и кажутся невидимыми, поэтому требуют большей интеграции мощности на меньшей площади. Им также требуются малошумящие силовые шины, в том числе с переключаемым конденсатор топология для превосходной четкости звука.
Рис.5: Зарядные устройства для аккумуляторов с трактом питания и без него (Texas Instruments Inc.)
ИС для зарядного устройства будет оставаться важным элементом в дизайне продуктов TWS, поскольку производители продолжают стремиться к повышению производительности, характеристик и размеров. Обязательно подумайте о высокопроизводительных зарядных устройствах для решения проблем, обсуждаемых в этой статье.
Дополнительные ресурсы
- Прочтите эти отчеты по применению:
- «Высокоэффективная зарядка TWS с использованием 2-контактного интерфейса».
- «Двухслойная конструкция в малом форм-факторе BQ21061 для оптимизированных по стоимости печатных плат».
- Загрузите инструмент настройки BQ25155, чтобы сгенерировать код микроконтроллера для запрограммированных значений.
- Найдите подходящую микросхему зарядного устройства TI для вашего следующего дизайна.
о Texas Instruments