如何克服TWS耳机的七个设计难题

发布人：电子资料库时间：2023-01-30 来源：工程师发布文章

以下是一些技巧，有助于解决TWS耳机设计中的一些最棘手的挑战，从最小化功率损耗到延长待机时间。

自2016年Apple AirPods发布以来，真正的无线立体声（TWS）市场已经以每年超过50%的速度增长。这些广受欢迎的无线耳机制造商正迅速增加更多功能（噪音消除、睡眠和健康监测），以使其产品与众不同，但是从设计工程的角度来看，添加所有这些特性可能很困难。在本文中，我将回顾这些挑战。

图1：带耳塞和充电盒的真正无线立体声应用示例（图片：TI公司）

挑战1：通过高效充电将功率损耗降至最低

无线耳机的一个主要挑战是在电池盒中的耳塞充满电后，实现更长的总播放时间。在这种情况下，一个较长的总播放时间转化为一个案件可以充电耳塞在其整个生命周期的周期数。其目标是实现高效充电，同时最大限度地减少从充电盒到耳塞的功耗。

充电盒输出一个来自电池的电压，作为输入给耳塞充电。典型的方案是一个输出固定5V的升压变换器，这是一个简单的解决方案，但不能优化充电效率。因为耳塞的电池非常小，所以设计师通常使用线性充电器。当使用固定的5伏输入时，充电效率很低–大约（V在-五蝙蝠)/五在–并对电池产生较大的电压跌落。插上平均3.6V锂离子电池电压（半放电），5V输入的效率仅为72%。

相反，在充电箱中使用可调输出升压或降压升压转换器，产生的电压仅略高于耳塞的典型电压范围。这就需要从充电盒到耳塞之间进行通信，这使得充电盒的输出电压能够随着电压的增加而动态调整到耳塞的电池。这将最大限度地减少损耗，提高充电效率，并显著降低热量。图2显示了这样一个系统的例子。

图2：使用双针接口的无线耳机的高效充电系统（来源：TI应用报告）

挑战2：缩小整体解决方案规模而不删除功能

第二个挑战是小型电池设计的普遍性挑战——如何设计既小尺寸又大功能的电池。这里的简单解决方案是选择具有更集成组件的设备。例如：

一个高性能的线性充电器，集成了额外的电源轨，为主系统块供电，是无线耳机的一个不错的选择。
对于处理器和无线通信模块等耗电量大、电压低的模块，交换轨是提高效率的最佳选择。
对于不需要太大功率但确实需要低噪声的传感器块，可以考虑使用低压差调节器。
如果无线耳机集成了模拟前端传感器来测量血氧和心率，您可能还需要一个升压转换器。

将额外的电源轨集成到充电器中，使其外形尺寸更小。然而，在集成更多以获得更小与使用更多的离散集成电路（IC）以获得灵活性之间，始终存在一种权衡。

挑战3：延长待机时间

待机时间很重要，因为消费者希望耳机在充电箱外长时间闲置后也能播放音乐。考虑在耳塞中使用能量密度更高的锂离子电池，这种电池通常具有更高的电压，比如4.35伏和4.4伏，这样就可以储存更多的能量。充满电也会增加待机时间。一个电池充电器的特点是一个小终止电流和高精度将有助于延长待机时间。如果终端电流规格有很大的变化，您可能最终得到较高的端接电流，这会导致提前终止和电池电量不足。

图3显示了一个41毫安时电池在1毫安时与4毫安时终止的情况。如果标称1毫安终止电流变化很大，实际终止于4毫安时，则2毫安时的电池容量将保持未开发状态。较低的端接电流和较高的精度可增加有效电池容量。

图3：标称端接电流为1毫安时的41毫安时电池实际上在4毫安时终止(图片：TI公司）

低静态电流（I问)在不同的工作模式下，延长待机时间也很重要。一个电源路径和接近零的船舶模式电流的充电器集成电路将防止电池在产品到达消费者之前耗尽，支持立即使用。功率路径需要在电池和系统之间放置金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），以分别管理系统和电池路径。

当耳塞在播放音乐或空闲时，系统的电流消耗需要尽可能小。寻找一个低I的充电器问同时也最小化了系统的I问. 例如，电池充电器通常需要负温度系数（NTC）电阻网络来测量电池温度。这个BQ21061型和BQ25155例如，德州仪器公司的充电器集成了一个电流源来偏置电阻网络，当不进行测量时，电阻网络可能会关闭。

市场上的一些解决方案在电池模式下工作时无法关闭NTC电流。它们要么泄漏过多（泄漏量可能超过200µ当NTC网络有20 k时Ω 或需要额外的输入/输出，并通过开关将其关闭。

挑战4：安全设计

电池组制造商通常有在不同温度下给电池充电的指导方针，电池在使用过程中必须保持在这些安全操作区域。有些需要一个标准配置文件，充电停止在冷热温度边界之外。例如，其他公司可能需要日本电子信息技术协会提供具体的资料。要符合这些温度曲线，请寻找具有必要的内置配置文件或一些I twoC可编程性。BQ21061和BQ25155具有设置温度窗口和在特定温度范围内采取的措施的寄存器。

电池欠压锁定（UVLO）是另一个安全功能，防止电池过度放电，从而受到压力。一旦电池电压低于某个阈值，UVLO就会切断放电路径。例如，对于一个充满4.2V电压的锂离子电池，一个常见的截止阈值是2.8V到3V。

挑战5：确保系统可靠性

当用户插入适配器时，系统可靠性低会导致一些微处理器卡住。虽然这种情况很少见，但它需要重置系统电源，这样微处理器才能重新启动并恢复正常。一些电池充电器集成了一个硬件重置看门狗定时器，该定时器执行硬件重置或电源循环（如果没有） two在使用者插入适配器后的一段时间内检测到C事务。系统复位后，电源路径断开并重新连接电池和系统。

与硬件重置看门狗计时器类似，传统的软件看门狗计时器也有助于提高系统可靠性，方法是在I中没有事务的一段时间后，将充电器寄存器重置为默认值 twoC。当微处理器处于故障状态时，此重置可防止电池错误充电。

挑战6：监控最佳操作区域

第六个挑战是监控系统参数，内置的高精度模数转换器（ADC）可以有效地实现这一点。测量电池电压是一个很好的参数，因为它可以方便地表示电池的充电状态，虽然是近似的。根据经验，如果无线耳机要求的充电状态高于±5%。

高精度的内置ADC还允许您在充电和放电期间监测电池和电路板的温度，并采取措施。充电器可以监测的其他参数包括输入电压/电流、充电电压/电流和系统电压。内置的比较器还可以方便地帮助监视特定的参数并向主机发送中断。如果参数在正常范围内并且不触发比较器，主机就不必不断地读取感兴趣的参数。BQ25155是一个很好的例子，它可以监控系统参数，因为它有一个ADC和比较器。

挑战7：简化无线连接

图4:TWS智能手机充电状态报告（图片：TI公司）

一些无线耳机有一个功能，当耳机在充电盒中并且盖子打开时，可以在智能手机上显示耳机和充电盒的充电状态。为了支持这一功能，即使电池电量耗尽，耳机也必须在插入外壳时立即报告充电状态。主芯片必须处于唤醒状态才能报告充电状态，因此在这种情况下，外部电源必须为耳塞供电。具有电源路径的充电器使系统能够从VBU获得更高的电压，同时以较低的电压为电池充电。

无线耳机充电器的几个功能（如船舶模式、系统电源重置、电池UVLO、精确终端电流和即时充电状态报告）在没有电源路径功能的情况下是不可能实现的，这需要在电池和系统之间放置一个MOSFET，以分别管理系统和电池路径。图5说明了带和不带电源路径的充电器。

根据电池大小和充电率，在充电箱设计中可以看到开关和线性充电器。开关充电器具有更高的效率和产生更少的热量，这对于700毫安及更高的大电流非常重要。开关充电器通常带有集成的升压或随行功能，可以提高电池电压，为耳塞充电提供输入电压。线性充电器也是低电流水平电池盒的好选择，因为它们提供低成本和低I问 .

可充电助听器也有类似的设计挑战。它们通常比耳塞小，这样看起来就看不见了，因此需要在更小的面积内进行更多的功率整合。他们还需要低噪音的电源轨，包括一个开关电容拓扑，以获得卓越的音频清晰度。