Hvordan designer man en opladnings-Pogo-stift til TWS-øretelefoner?
TWS trådløse Bluetooth-headset er et af de smarte, bærbare produkter, der er favoriseret af mænd, kvinder og børn i de seneste år. Den er lille og udsøgt, nem at oplade og har forskellige former. Den kan oplades ved at placere den i opladningsrummet. En af kernekomponenterne i TWS Bluetooth-headset-opladningsrummet er pogopin-pogo-stiften. TWS-øretelefoner kan oplades gennem kontakt mellem hun-enden af pogo-stiften og han-enden i opladningsrummet. 80 procent af mærkerne på markedet vælger at bruge pogo-stiften.
TWS-headset-opladningsboksen er et ideelt trådløst opladningsscenarie med lavt strømforbrug. TWS trådløse Bluetooth-headset, der understøtter trådløs opladning, har et indbygget trådløst opladningsmodtagemodul i ladeboksen, som kan placeres på den trådløse oplader til opladning som en trådløs opladningsmobiltelefon, der realiserer trådløs opladning. Den "virkelig trådløse" funktion af Bluetooth plus trådløs opladning har en bedre brugeroplevelse og anses for at være den ultimative form for TWS ægte trådløse Bluetooth-headset.
Nu er TWS-øretelefoner groft opdelt i semi-in-ear-typer med lange håndtag og cochlear-type bønnespireformer i designet af hovedtelefonhovedet. Formen på høretelefoner er relativt begrænset, så designet af opladning og opladning er blevet et gennembrudspunkt. Billedet er rigtigt. Opladningsrummet har lavet en lille nyskabelse, ved at bruge en tofarvet sprøjtestøbningsproces, et mørkt og gennemsigtigt udseende, og indvendigt teksturdesign, og med powerdisplayet har det skabt en højteknologisk følelse af høj kvalitet!
Hvordan overvinder man syv designudfordringer ved TWS-hovedtelefoner?
Her er nogle tips til at hjælpe med at løse nogle af de hårdeste udfordringer i TWS-hovedtelefondesign, fra at minimere strømtab til at forlænge standbytiden.
Siden udgivelsen af Apple AirPods i 2016 er markedet for ægte trådløs stereo (TWS) vokset med mere end 50 procent årligt. Producenterne af disse populære trådløse høretelefoner tilføjer hurtigt flere funktioner (støjreduktion, søvn og sundhedsovervågning) for at differentiere deres produkter, men at tilføje alle disse funktioner kan være vanskeligt fra et designteknisk synspunkt. I denne artikel vil jeg gennemgå disse udfordringer.
Udfordring 1: Minimer strømtab gennem effektiv opladning
En stor udfordring med trådløse høretelefoner er at opnå en længere samlet afspilningstid, når øretelefonerne i batterirummet er fuldt opladet. I dette tilfælde oversættes en længere samlet spilletid til antallet af cyklusser, et etui kan oplade øretelefonerne i hele deres levetid. Målet er at muliggøre effektiv opladning og samtidig minimere strømforbruget fra opladningsetuiet til øretelefonerne.
Opladningsetuiet udsender en spænding fra batteriet som input til at oplade øretelefonerne. Den typiske løsning er en boost-konverter med fast 5V udgang, som er en simpel løsning, men ikke optimerer opladningseffektiviteten. Fordi øretelefonbatterier er så små, bruger designere ofte lineære opladere. Når du bruger en fast 5V-indgang, er opladningseffektiviteten meget lav - ca. (V i - 5 bats) / 5 in - og producerer et stort spændingsfald på batteriet. Tilslut en gennemsnitlig 3,6V Li-Ion batterispænding (halvt afladet), og 5V-indgangen er kun 72 procent effektiv.
Omvendt producerer brug af en justerbar udgangsboost eller buck-boost-konverter i opladningsetuiet en spænding, der kun er lidt over øretelefonernes typiske spændingsområde. Dette kræver kommunikation fra opladningsetuiet til øretelefonerne, hvilket tillader udgangsspændingen på opladningsetuiet dynamisk at tilpasse sig øretelefonernes batteri, efterhånden som spændingen stiger. Dette vil minimere tab, øge opladningseffektiviteten og reducere varmen markant.
Udfordring 2: Nedskaler den overordnede løsning uden at fjerne funktionalitet
Den anden udfordring er den generelle udfordring ved design af små batterier – hvordan man designer et batteri, der både er lille i størrelse og stort i funktion. Den enkle løsning her er at vælge en enhed med mere integrerede komponenter. For eksempel:
En højtydende lineær oplader, der integrerer yderligere strømskinner for at forsyne hovedsystemblokken og er et godt valg til trådløse hovedtelefoner.
For strømkrævende lavspændingsmoduler såsom processorer og trådløse kommunikationsmoduler er swap-skinner det bedste valg for effektivitet.
For sensorblokke, der ikke kræver meget strøm, men som kræver lav støj, kan du overveje at bruge en regulator med lavt udfald.
Hvis dine trådløse hovedtelefoner integrerer analoge front-end sensorer til at måle blodets ilt og puls, har du muligvis også brug for en boost-konverter.
Integrer yderligere strømskinner i opladeren for at gøre dens formfaktor mindre. Der er dog altid en afvejning mellem at integrere mere for mindre størrelser og at bruge mere diskrete integrerede kredsløb (IC'er) for fleksibilitet.
Udfordring 3: Forlæng standbytiden
Standbytid er vigtig, fordi forbrugerne forventer, at hovedtelefoner afspiller musik selv efter lange perioder med inaktivitet uden for opladningsetuiet. Overvej at bruge lithium-ion-batterier med højere energidensitet i øretelefoner, som typisk har højere spændinger, såsom 4,35 volt og 4,4 volt, så der kan lagres mere energi. En fuld opladning øger også standby-tiden. En batterioplader med en lille termineringsstrøm og høj nøjagtighed hjælper med at forlænge standbytiden. Hvis der er en stor ændring i termineringsstrømspecifikationen, kan du ende med en højere termineringsstrøm, hvilket kan føre til for tidlig terminering og lavt batteri.
Et 41mAh batteri afsluttet ved 1mAh versus 4mAh. Hvis den nominelle 1mA termineringsstrøm varierer meget og faktisk ender ved 4mA, vil 2mAh batterikapaciteten forblive uudnyttet. Lavere termineringsstrøm og højere nøjagtighed øger den effektive batterikapacitet.
Lav hvilestrøm (IQ) er også vigtig for at forlænge standbytiden i forskellige driftstilstande. En oplader IC med en strømvej og næsten nul skibstilstand vil forhindre batteriet i at tømmes, før produktet når forbrugeren, hvilket muliggør øjeblikkelig brug. Strømvejen kræver at placere metal-oxid-halvleder-felteffekttransistorer mellem batteriet og systemet for at styre henholdsvis systemet og batterivejene.
Når øretelefonerne spiller musik eller går i tomgang, skal systemets strømforbrug være så lille som muligt. Ved at finde en oplader med lav minimerer jeg også systemets I. For eksempel kræver batteriopladere ofte et modstandsnetværk med negativ temperaturkoefficient (NTC) for at måle batteritemperaturen.
Nogle løsninger på markedet kan ikke slå NTC-strømmen fra, når der arbejdes i batteritilstand. De lækker enten for meget (lækage kan overstige 200µ, når NTC-netværket har 20 kΩ) eller kræver ekstra I/O og slukker det med en switch.
Udfordring 4: Sikkerhedsdesign
Batteripakkeproducenter har ofte retningslinjer for opladning af batterier ved forskellige temperaturer, og batterier skal forblive inden for disse sikre driftsområder under brug. Nogle kræver en standardprofil, hvor opladningen stopper uden for den varme og kolde temperaturgrænse. For eksempel kan andre virksomheder kræve specifikke oplysninger fra Japan Electronics and Information Technology Association. For at overholde disse temperaturprofiler skal du kigge efter en profil med den nødvendige indbyggede eller en eller anden I toC programmerbarhed. BQ21061 og BQ25155 har registre til at indstille temperaturvinduet og handlinger, der skal udføres inden for et specifikt temperaturområde.
Batteriunderspændingslås (UVLO) er en anden sikkerhedsfunktion, der forhindrer batteriet i at blive overafladet og dermed stresset. Når batterispændingen falder under en vis tærskel, afbryder UVLO afladningsvejen. For eksempel, for et Li-Ion-batteri opladet ved 4,2V, er en fælles cutoff-tærskel 2,8V til 3V.
Udfordring 5: Sikring af systempålidelighed
Lav systempålidelighed fik nogle mikroprocessorer til at sidde fast, når brugeren tilsluttede adapteren. Selvom dette er sjældent, kræver det en systemstrømnulstilling, så mikroprocessoren kan genstarte og vende tilbage til normal. Nogle batteriopladere integrerer hardwarenulstillings-watchdog-timer, der udfører en hardwarenulstilling eller strømcyklus (hvis ikke) to C-transaktioner detekteres engang efter, at adapteren er tilsluttet af brugeren. Efter en systemnulstilling afbrydes strømvejen og tilsluttes igen til batteriet og systemet.
I lighed med hardware-reset watchdog-timeren hjælper den traditionelle software watchdog-timer også med at forbedre systemets pålidelighed ved at nulstille opladerregistret til dets standardværdi efter en periode uden transaktioner i twoC. Denne nulstilling forhindrer, at batteriet oplades forkert, når mikroprocessoren er i en defekt tilstand.
Udfordring 6: Overvåg de bedste driftsområder
Den sjette udfordring er at overvåge systemparametre, som effektivt kan opnås med en indbygget højpræcision analog-til-digital konverter (ADC). Måling af batterispænding er en god parameter, fordi den giver en bekvem, omend omtrentlig, repræsentation af batteriets ladetilstand. Som en tommelfingerregel, hvis den ladetilstand, der kræves af det trådløse headset, er højere end ±5 procent.
Den indbyggede ADC med høj nøjagtighed giver dig også mulighed for at overvåge og foretage handlinger på batteri- og korttemperaturen under opladning og afladning. Andre parametre, som opladeren kan overvåge, omfatter indgangsspænding/strøm, ladespænding/strøm og systemspænding. Den indbyggede komparator hjælper også bekvemt med at overvåge specifikke parametre og sende afbrydelser til værten. Hvis parameteren er inden for det normale område, og komparatoren ikke udløses, behøver værten ikke konstant at læse parameteren af interesse. BQ25155 er et godt eksempel til at overvåge systemparametre, da den har en ADC og komparator.
Udfordring 7: Forenkle trådløs forbindelse
Nogle trådløse høretelefoner har en funktion, der viser opladningsstatus for høretelefonerne og opladningsetuiet på smartphonen, når høretelefonerne er i opladningsetuiet og låget er åbent. For at understøtte dette skal høretelefonerne rapportere ladetilstanden, så snart de sættes i etuiet, selvom batteriet er afladet. Hovedchippen skal være vågen for at rapportere opladningstilstanden, så i dette tilfælde skal den eksterne strømkilde forsyne øretelefonerne. En oplader med strømvej gør det muligt for systemet at få en højere spænding fra VBU'en, mens batteriet oplades ved en lavere spænding.
Adskillige funktioner i den trådløse hovedtelefonoplader (såsom skibstilstand, systemstrømnulstilling, batteri-UVLO, nøjagtig terminalstrøm og øjeblikkelig opladningsstatusrapportering) er ikke mulige uden strømvejskapaciteten, som kræver, at både batteri og system A MOSFET placeres ind imellem for at styre systemet og batteristierne separat. Figur 5 illustrerer opladeren med og uden strømvej.
Switching og lineære opladere kan ses i ladekassens design afhængigt af batteristørrelsen og ladehastigheden. Skiftende opladere er mere effektive og genererer mindre varme, hvilket er vigtigt for høje strømme på 700mA og derover. Skiftende opladere kommer normalt med en integreret boost- eller follow-funktion, der booster batterispændingen og giver indgangsspændingen til opladning af øretelefonerne. Lineære opladere er også et godt valg til batteribokse med lavt strømniveau, da de tilbyder lave omkostninger og lav IQ.
Genopladelige høreapparater giver lignende designudfordringer. De er normalt mindre end øretelefoner, så de er usynlige og kræver derfor mere strømintegration på et mindre område. De kræver også støjsvage strømskinner, inklusive en switchet kondensatortopologi, for overlegen lydklarhed.