新闻中心

EEPW首页 > 消费电子 > 设计应用 > 基于MAXIM PLC技术的TWS解决方案

基于MAXIM PLC技术的TWS解决方案

作者:方良 贾宁时间:2021-05-14来源:电子产品世界收藏
编者按:TWS(真无线耳机)是近来非常热门的一个应用,市场上出现了众多的TWS产品。本文,我们将介绍一款美信针对TWS设计的方案,并重点介绍美信特有的PLC技术在该方案的应用和优点。

(真无线耳机) 市场

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202105/425552.htm

近年来,无线耳机整体市场持续快速增长,市场越来越火爆,同时,包括智能终端、蓝牙技术、芯片技术的不断提升发展,进一步加快了无线耳机的产品普及。而各个厂家都推出了自己的解决方案,本文介绍美信的独有方案。

系统架构

图1所示为本设计框图,包括两部分:充电盒和耳机。

充电盒采用3.7V@125mAH 锂电池供电,通过USB 对其充电,利用美信高性能的电量计芯片MAX77818对电池进行管理,由采用美信技术的集成电源管理芯片MAX17270 对系统供电。主控系统采用美信低功耗的Cortex M4 处理器MAX32660。

耳机采用3.7V小型锂电池供电,由充电盒的 MAX20340对耳机进行充电并通信,低功耗的电量计芯片MAX17260主要对电池进行管理测量,由采用美信技术的集成电源管理芯片MAX77651对系统供电。主控系统用同款处理器MAX32660。同时配备了音频codec MAX98090,方便语音处理和测试。这个Codec只是为了说明效果,验证方案的可行性。

整个电路板的尺寸(包括所有元件)是充电盒:46mm*46mm,耳机:58mm*46mm,因为所有器件都有小封装尺寸,实际产品尺寸可以做到很小,以满足实际耳机尺寸要求。

1620974788658065.png

图1 设计系统框图

图2是本设计的电路实物,我们所有测试都是基于它进行的。

1620974810776202.jpg

1620974865997678.jpg

图2 MAXREFDES1263

数据通信和能量传输

TWS 耳机中,充电盒与耳机的数据传输和能量传递很关键。目前市场上真无线耳机常常使用3个(或更多)引脚与其充电盒连接,用于传输数据和电源。额外的引脚则需要更大的空间,同时也会导致可靠性隐患。此外,耳机电池充电期间常采用固定电压,该方法会引起有害发热。本设计采用美信专有的MAX20340来实现耳机与其充电盒之间的电源和数据传输,将数据信号叠加到电源上,这样接口仅使用两个引脚,有效减少故障点数量,从而提高可靠性。MAX20340为通用的双向直流电力线通信 ()管理IC,最大码率为166.7kbps,支持最大1.2A充电电流,它的一个显著特点是能同时实现充电和数据传输。MAX20340具有从机检测电路,当主机检测到电力线上出现PLC从机时,该电路向系统产生一个中断。该功能允许系统保持在低功耗状态,直到连接上某个从机器件。这一特点很合适充电盒应用。

1620974889546024.png

图3 MAX20340 PLC 数据通信波形图

MAX20340的许多特性,例如主/从模式、I²C地址、双/单PLC从机模式以及PLC从机地址,都可以通过引脚配置,从而方便简化设计。器件采用9焊球、0.4mm焊球间距、1.358mm x 1.358mm晶圆级封装(WLP)。

1620974913103475.png

图4 MAX20340 结构框图

1620974933171277.png

图5 MAX20340配置流程图

MAX20340工作流程

在开始时,PLC线上处于钳位状态,这样可以确保安全。上电后,设备首先进行初始化,主要是检测设备配置电阻值(RSEL),从而确认设备的工作模式(主机/从机模式,从机数量),设备I2C地址,从机地址。这个过程大概需要3mS左右,可以用等待方式或者用中断方式(Rsel_Donei)来确认初始化是否完成。初始配置完成后,我们可以通过读取寄存器DEV_STATUS来确认配置的工作模式。

当设备是主机模式时,它处于低功耗关断状态,使能(/EN)后, 进入从机检测状态。如果成功检测到从机,主机就会开通PLC通道上的开关(Q1/2),进入从机充电模式,从而可以通过VCC对PLC端进行充电,充电电流可达1.2A。同时,主机可以主动启动PLC线上通信,进入PLC模式,和从机交换数据。整个过程中,如果有任何的短路不安全因素发生,设备会自动断开开关(Q1/2),进入安全模式。

当设备是从机模式时,它处于低功耗关断状态,使能(/EN)后, 进入主机检测状态。如果成功检测到主机,并且线上PLC电压大于设置的门限电压,设备就进入主机找到模式,使能数据通信,自动配置开关(Q1/2)处于LDO模式,并等待主机的数据通信命令。当收到主机协议时,就可以相应的回复数据。主机随时可以通过命令使从机恢复空闲等待状态,断开开关(Q1/2)。 需要注意的是,主从之间的数据通信必须由主机发起。当有双从机时,两个从机是通过特定的位地址来确认的。

高性能电量计

充电盒设计电池部分采用美信最新的电量计管理芯片MAX77818。MAX77818将高性能开关充电器和专有的ModelGauge™ m5电量计集成于一个WLP封装,是USB供电便携式设备的理想选择。智能电源通路充电器支持两路输入,带有反向阻塞和USB-OTG,集成全部功率开关,工作在较高开关频率,具有高效率,支持利用较小外部元件实现低热设计。Maxim ModelGauge m5算法既有库仑计出色的短期高精度、高线性度特性,又具有电压电量计优异的长期稳定性,而温度补偿还提供业内领先的计量精度。器件还集成两个高压输入LDO,可通过I2C接口灵活编程。需要说明的是,为了准确的测量电池电量,需要对电池进行建模,取得电池的特征参数。美信有专门的团队可以帮助电池建模。当然,在初始阶段,大家也可以利用美信网上的工具生成简单的建模参数,进行测试评估。

耳机部分采用MAX17260。这是一款超低功耗电量计IC,低至5.1μA工作电流,采用Maxim ModelGauge™ m5算法,监测单节电池,支持高边和低边电流检测。值得说明的是MAX17260支持ModelGauge m5 EZ算法,即不要求对电池进行特征分析,很容易实现电量计量,并简化主机软件。算法具有较高容限,支持多种锂电池应用。IC在较宽的工作条件下自动补偿电池老化、温度和放电率,无需校准,并以百分比(%)提供精确的电量状态(SOC),以毫安时(mAh)提供剩余容量。当电池达到接近空电量的临界区域时,算法激活特殊的误差修正,进一步消除误差。IC精确估算剩余工作时间和电池充满需要的时间,提供三种报告电池寿命的方法:容量降低、电池电阻变大和充电次数增加。

1620974977765740.png

图6 MAX77818 结构框图

图7.png

图7 MAX17260结构框图

处理器单元

MAX32660是带有浮点运算单元 (FPU)的超低功耗ARM M4核的MCU,自带256KB闪存、96KB RAM、16KB指令缓存、14个通用I/O引脚,采用简单的SWD编程。其内部振荡器工作频率高达96MHz,支持SPI, UART和I2C通信。 它集成了优化的电源管理单元,待机电流只有2uA,可以最大程度延长电池的工作时间。MAX32660的超低待机功耗,灵活的电源配置,超小体积(1.6mm x 1.6mm),使其非常适合可穿戴设计应用,包括无线耳机,运动手表,手环,健身设备,手持医疗设备和物联网(IoT)等应用。本设计中,MAX32660用于处理各种软件工作,软件流程图见图8。流程图包括两部分:充电盒端和耳机端。

充电盒端软件流程工作如下:首先上电后初始化GPIO口和各个外设,包括I2C, SPI,Timer1,并配置好中断向量。接下来配置外围器件,包括电量计芯片MAX77818,DC-DC电源MAX77813, PLC 芯片MAX20340,OLED显示屏。MAX77813是给MAX20340供电,直接配置成5V输出(VOUT[6:0]=0x78)。MAX20340配置成主机模式,并设置好PLC数据格式,PLC电流和电压大小,充电电压门限,LDO电压差,以及中断使能。因为参考设计默认充电盒一直工作待机,当有外部USB电源输入时,充电盒就开始充电,直到电池充满。OLED始终显示电池电量。当有从机PLC连接时,主机立马收到中断信号,并进行从机识别判断。如果检测到是正确的从机后,打开PLC输出对从机进行充电,并定时询问从机,正确收到从机反馈后,读取从机发来的数据(耳机的电量和充电状态百分比)并进行显示。

耳机端软件流程工作如下:首先上电后初始化GPIO口和各个外设,包括I2C,Timer1,并配置好中断向量。接下来配置外围器件,包括电量计芯片MAX17260,电源MAX77651, PLC 芯片MAX20340, Codec MAX98090 。MAX20340配置成从机模式,并设置好PLC数据格式,PLC电压大小,充电电压门限,LDO电压差,以及中断使能。从机MAX20340连接到主机后,就由主机MAX20340通过PLC线上进行供电,进而从机MAX20340对MAX77651供电,并由MAX77651提供整个耳机需要的各个电源。当从机收到主机通讯命令时,进行响应,发送回耳机的电池电量和充电状态。

图8 MAX32660 软件流程图

电源管理系统

穿戴设备都是电池供电,对工作时间有一定要求,同时对体积也有严格要求,希望越小越好。因此,电源管理系统就显得尤为重要。小尺寸锂电池供电设备的大多数PMIC还会需要其它附加器件,例如boost、buck或低压差(LDO)稳压器、充电管理器或用于LED显示器的电流调节器。为节省空间、提高效率,MAX77651将上述功能全部集成在一起,构成完整的电源方案,而面积只有19.2mm2 ,基本是当前市场上类似方案尺寸的1/2。MAX77651另一个显著特点是采用单电感多输出(SIMO) buck-boost架构,凭借独特的内部控制系统实现单个电感提供三路电源输出,并结合150mA LDO和三路灌电流驱动器,大大减少板级元器件数量,最大程度地增大电路板可用空间。为提高设计灵活性,MAX77651分别支持最高3.3V和5V工作电压,同时也提供各种工厂编程选项,允许客户根据自身需求量身定制方案,使产品快速上市,是一款理想的低功耗设计应用的芯片。因此,MAX77651具有超低待机功耗(0.3uA),高效率,少器件,小尺寸的显著优势。下图是采用美信SIMO方案和传统电源方案的一个示例对比测试。

充电盒同样采用了SIMO技术的电源管理芯片MAX17270。MAX17270为3路输出开关调节器,它的一大显著特点是通过电阻来设置三路输出电压,特别方便简单。设计用于要求在极小空间内高效调节多个电源的应用,能够建立高于、低于或等于输入电压的输出电压,所以能够充分利用整个电池电压范围。

1620975053715195.png

图9 SIMO方案和传统电源方案对比

1620975075900528.png

图10 MAX77651 应用框图

电源测试

系统既有高精度模拟电源,也有数字电源,而我们设计采用的是单一集成的电源方案,因此其性能对系统精度极为重要。电路设计和PCB布线一定要以数据手册要求为主,尤其重点要注意以下几点:

一是IN_SBB和SBBx的电容要尽可能的靠近管脚,尽量不要有过孔;

二是SBBx的输出走线尽可能短,减少和负载端的分布参数;

三是采用SIMO技术的高度集成方案,外围器件很少,主要就一个电感和几个电容,所以整个尺寸很小。为了保证性能,需要多层布板,建议4层或以上,保证有单独的电源层和地层。

下图是本参考设计测试的MAX77651B 输出波形,可以看到纹波最大是35mVpp。这是单一电感3路输出的效果,性能完全可以接受。

图11.png

图11 MAXREFDES1263电源纹波测试

参考文献:

1.MAX20340数据手册及参考资料, Maxim Integrated Products,

https://www.maximintegrated.com/en/products/comms/MAX20340.html

2.MAX77818数据手册及参考资料, Maxim Integrated Products,

https://www.maximintegrated.com/en/products/power/battery-management/MAX77818.html

3.MAX17260数据手册及参考资料, Maxim Integrated Products,

4.https://www.maximintegrated.com/en/products/power/battery-management/MAX17260.html

5.MAX77651数据手册, Maxim Integrated Products, 

https://www.maximintegrated.com/en/products/power/switching-regulators/MAX77651.html

6.MAX77650/MAX77651 编程手册, Maxim Integrated Products

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6428

7.MAX32660数据手册, Maxim Integrated Products, 

https://www.maximintegrated.com/en/products/microcontrollers/MAX32660.html

8.MAX32660 用户编程手册,Maxim Integrated Products,

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6659

*关于作者

方良,硕士,主要从事工业和医疗技术应用和支持

贾宁,硕士,主要从事信号链技术应用和支持



关键词: TWS PLC Fuel Gauge SIMO

评论


相关推荐

技术专区

关闭