Hur designar jag en laddningspogo-stift för TWS-öronsnäckor?
TWS Wireless Bluetooth-headset är en av de smarta bärbara produkterna som gynnats av män, kvinnor och barn de senaste åren. Den är liten och utsökt, lätt att ladda och har olika former. Den kan laddas genom att placera den i laddningsfacket. En av kärnkomponenterna i TWS Bluetooth-headsetets laddningsfack är pogopin pogo-stiftet. TWS-hörlurar kan laddas genom kontakt mellan den kvinnliga änden av pogo-stiftet och hanänden i laddningsfacket. 80% av varumärkena på marknaden väljer att använda pogo-stiftet.
TWS-headsetets laddningsbox är ett idealiskt trådlöst laddningsscenario med låg effekt. TWS trådlösa Bluetooth-headset som stöder trådlös laddning har en inbyggd trådlös laddningsmottagningsmodul i laddningsboxen, som kan placeras på den trådlösa laddaren för laddning som en trådlös laddningsmobiltelefon, vilket realiserar trådlös laddning. Den "verkligt trådlösa" funktionen för Bluetooth + trådlös laddning har en bättre användarupplevelse och anses vara den ultimata formen av TWS äkta trådlöst Bluetooth-headset.
Nu är TWS-hörlurar grovt uppdelade i semi-in-ear-typer med långa handtag och bönspiror av cochlear-typ i hörlurshuvudets design. Formen på hörlurar är relativt begränsad, så utformningen av laddning och laddning har blivit en genombrottspunkt. Bilden är rätt Laddningsfacket har gjort lite innovation, med hjälp av en tvåfärgad formsprutningsprocess, ett mörkt och transparent utseende och intern texturdesign, och med strömdisplayen, vilket skapar en högkvalitativ, högteknologisk känsla!
Hur kan man övervinna sju designutmaningar med TWS-hörlurar?
Här är några tips som hjälper dig att lösa några av de tuffaste utmaningarna i TWS-hörlursdesign, från att minimera strömförlusten till att förlänga standbytiden.
Sedan apple AirPods släpptes 2016 har marknaden för äkta trådlös stereo (TWS) vuxit med mer än 50% årligen. Tillverkarna av dessa populära trådlösa hörlurar lägger snabbt till fler funktioner (brusreducering, sömn och hälsoövervakning) för att skilja sina produkter, men att lägga till alla dessa funktioner kan vara svårt ur designteknisk synvinkel. I den här artikeln kommer jag att granska dessa utmaningar.
Utmaning 1: Minimera strömförlusten genom effektiv laddning
En stor utmaning med trådlösa hörlurar är att uppnå en längre total uppspelningstid när öronsnäckorna i batterifacket är fulladdade. I det här fallet översätts en längre total speltid till antalet cykler som ett fodral kan ladda öronsnäckorna under hela sin livstid. Målet är att möjliggöra effektiv laddning samtidigt som strömförbrukningen minimeras från laddningsfodralet till öronsnäckorna.
Laddningsfodralet matar ut en spänning från batteriet som en ingång för att ladda öronsnäckorna. Den typiska lösningen är en boost-omvandlare med en fast 5V-utgång, vilket är en enkel lösning men inte optimerar laddningseffektiviteten. Eftersom öronsnäckbatterier är så små använder designers ofta linjära laddare. Vid användning av en fast 5V-ingång är laddningseffektiviteten mycket låg - ungefär (V in - 5 fladdermöss) / 5 in - och ger ett stort spänningsfall på batteriet. Anslut en genomsnittlig 3.6V Li-Ion-batterispänning (halvurladdad) och 5V-ingången är bara 72% effektiv.
Omvänt ger användning av en justerbar utgångsförstärkning eller buck-boost-omvandlare i laddningsfodralet en spänning som bara ligger något över det typiska spänningsområdet för öronsnäckorna. Detta kräver kommunikation från laddningsfodralet till öronsnäckorna, vilket gör att laddningsfodralets utspänning dynamiskt kan anpassas till öronsnäckornas batteri när spänningen ökar. Detta minimerar förluster, ökar laddningseffektiviteten och minskar värmen avsevärt.
Utmaning 2: Skala ner helhetslösningen utan att ta bort funktionaliteten
Den andra utmaningen är den allmänna utmaningen med design av små batterier - hur man utformar ett batteri som är både litet i storlek och stort i funktion. Den enkla lösningen här är att välja en enhet med mer integrerade komponenter. T.ex.:
En högpresterande linjärladdare som integrerar ytterligare strömskenor för att driva huvudsystemblocket och är ett bra val för trådlösa hörlurar.
För strömsnåla lågspänningsmoduler som processorer och trådlösa kommunikationsmoduler är växelskenor det bästa valet för effektivitet.
För sensorblock som inte kräver mycket ström men behöver lågt brus, överväg att använda en låg dropout-regulator.
Om dina trådlösa hörlurar integrerar analoga front-end-sensorer för att mäta blodets syre och hjärtfrekvens, kan du också behöva en boost-omvandlare.
Integrera ytterligare strömskenor i laddaren för att göra dess formfaktor mindre. Det finns dock alltid en avvägning mellan att integrera mer för mindre storlekar och att använda mer diskreta integrerade kretsar (IC) för flexibilitet.
Utmaning 3: Förläng standbytiden
Standby-tid är viktigt eftersom konsumenterna förväntar sig att hörlurar ska spela musik även efter långa perioder av inaktivitet utanför laddningsfodralet. Överväg att använda litiumjonbatterier med högre energitäthet i öronsnäckor, som vanligtvis har högre spänningar, såsom 4,35 volt och 4,4 volt, så att mer energi kan lagras. En full laddning ökar också standbytiden. En batteriladdare med en liten avslutningsström och hög noggrannhet hjälper till att förlänga standby-tiden. Om det sker en stor förändring i specifikationen för avslutningsström kan du få en högre avslutningsström, vilket kan leda till för tidig avslutning och lågt batteri.
Ett 41mAh-batteri avslutades vid 1mAh mot 4mAh. Om den nominella 1mA-termineringsströmmen varierar kraftigt och faktiskt slutar vid 4mA, kommer 2mAh-batterikapaciteten att förbli outnyttjad. Lägre avslutningsström och högre noggrannhet ökar den effektiva batterikapaciteten.
Låg vilande ström (IQ) är också viktigt för att förlänga standbytiden i olika driftlägen. En laddar-IC med strömväg och nästan noll fartygslägesström förhindrar att batteriet tappar innan produkten når konsumenten, vilket möjliggör omedelbar användning. Effektvägen kräver att metalloxid-halvledarfälteffekttransistorer placeras mellan batteriet och systemet för att hantera systemet respektive batterivägarna.
När öronsnäckorna spelar musik eller går på tomgång måste systemets nuvarande förbrukning vara så liten som möjligt. Att hitta en laddare med låg minimerar jag också systemets I. Till exempel kräver batteriladdare ofta ett motståndsnätverk med negativ temperaturkoefficient (NTC) för att mäta batteritemperaturen.
Vissa lösningar på marknaden kan inte stänga av NTC-strömmen när du arbetar i batteriläge. De läcker antingen för mycket (läckage kan överstiga 200μ när NTC-nätverket har 20 kΩ) eller kräver extra I/O och stänger av det med en strömbrytare.
Utmaning 4: Säkerhetsdesign
Batteripakettillverkare har ofta riktlinjer för laddning av batterier vid olika temperaturer, och batterierna måste hålla sig inom dessa säkra driftsområden under användning. Vissa kräver en standardprofil där laddningen stannar utanför gränsen för varm och kall temperatur. Till exempel kan andra företag kräva specifik information från Japan Electronics and Information Technology Association. För att följa dessa temperaturprofiler, leta efter en profil med nödvändig inbyggd eller någon I twoC-programmerbarhet. BQ21061 och BQ25155 har register för att ställa in temperaturfönstret och åtgärder som ska vidtas inom ett visst temperaturområde.
Battery Undervoltage lockout (UVLO) är en annan säkerhetsfunktion som förhindrar att batteriet överbelastas och därmed stressas. När batterispänningen faller under ett visst tröskelvärde stänger UVLO av urladdningsvägen. Till exempel, för ett Li-Ion-batteri laddat vid 4.2V, är en gemensam avstängningströskel 2.8V till 3V.
Utmaning 5: Säkerställa systemets tillförlitlighet
Låg systemtillförlitlighet orsakade att vissa mikroprocessorer fastnade när användaren anslöt adaptern. Även om detta är sällsynt kräver det en systemåterställning så att mikroprocessorn kan starta om och återgå till det normala. Vissa batteriladdare integrerar maskinvaruåterställningstimer som utför en hårdvaruåterställning eller strömcykel (om inte) två C-transaktioner upptäcks någon gång efter att adaptern har anslutits av användaren. Efter en systemåterställning kopplas strömvägen bort och ansluts igen till batteriet och systemet.
I likhet med maskinvaruåterställningstimern för vakthund hjälper den traditionella programvaruvakthundstimern också till att förbättra systemets tillförlitlighet genom att återställa laddarregistret till sitt standardvärde efter en period utan transaktioner i tvåC. Denna återställning förhindrar att batteriet laddas felaktigt när mikroprocessorn är i felaktigt tillstånd.
Utmaning 6: Övervaka de bästa verksamhetsområdena
Den sjätte utmaningen är att övervaka systemparametrar, vilket effektivt kan uppnås med en inbyggd analog-till-digital-omvandlare (ADC) med hög precision. Mätning av batterispänning är en bra parameter eftersom det ger en bekväm, om än ungefärlig, representation av batteriets laddningstillstånd. Som en tumregel, om laddningsstatusen som krävs av det trådlösa headsetet är högre än ±5%.
Den inbyggda ADC med hög noggrannhet gör det också möjligt att övervaka och vidta åtgärder för batteri- och korttemperatur under laddning och urladdning. Andra parametrar som laddaren kan övervaka inkluderar ingångsspänning / ström, laddningsspänning / ström och systemspänning. Den inbyggda komparatorn hjälper också bekvämt till att övervaka specifika parametrar och skicka avbrott till värden. Om parametern ligger inom det normala intervallet och komparatorn inte utlöses behöver värden inte ständigt läsa parametern av intresse. BQ25155 är ett bra exempel för att övervaka systemparametrar eftersom den har en ADC och komparator.
Utmaning 7: Förenkla trådlös anslutning
Vissa trådlösa hörlurar har en funktion som visar laddningsstatus för hörlurarna och laddningsfodralet på smarttelefonen när hörlurarna är i laddningsfodralet och locket är öppet. För att stödja detta måste hörlurarna rapportera laddningstillståndet så snart de är anslutna till fodralet, även om batteriet är urladdat. Huvudchipet måste vara vaket för att rapportera laddningstillståndet, så i det här fallet måste den externa strömkällan driva öronsnäckorna. En laddare med strömväg gör det möjligt för systemet att få en högre spänning från VBU medan batteriet laddas med en lägre spänning.
Flera funktioner i den trådlösa hörlursladdaren (t.ex. fartygsläge, återställning av systemström, batteri UVLO, exakt terminalström och omedelbar rapportering av laddningsstatus) är inte möjliga utan strömvägskapaciteten, vilket kräver att både batteri och system A MOSFET placeras däremellan för att hantera systemet och batterivägarna separat. Figur 5 illustrerar laddaren med och utan strömväg.
Switching och linjära laddare kan ses i laddningsfodralets design beroende på batteristorlek och laddningshastighet. Switchladdare är effektivare och genererar mindre värme, vilket är viktigt för höga strömmar på 700mA och högre. Switchladdare kommer vanligtvis med en integrerad boost- eller följfunktion som ökar batterispänningen och ger ingångsspänningen för laddning av öronsnäckorna. Linjära laddare är också ett bra val för batterilådor med låg strömnivå eftersom de erbjuder låg kostnad och låg IQ.
Uppladdningsbara hörapparater innebär liknande designutmaningar. De är vanligtvis mindre än öronsnäckor så att de är osynliga och därför kräver mer kraftintegration i ett mindre område. De kräver också lågbrusiga kraftskenor, inklusive en omkopplad kondensatortopologi, för överlägsen ljudklarhet.