Jak zaprojektować ładujący pin Pogo dla słuchawek TWS?
Bezprzewodowy zestaw słuchawkowy TWS Bluetooth to jeden z inteligentnych produktów do noszenia preferowanych przez mężczyzn, kobiety i dzieci w ostatnich latach. Jest mały i wykwintny, łatwy do ładowania i ma różne kształty. Można go naładować, umieszczając go w komorze ładującej. Jednym z podstawowych elementów komory ładowania zestawu słuchawkowego TWS Bluetooth jest szpilka pogopin pogo. Słuchawki TWS można ładować poprzez kontakt między żeńską końcówką pogo pin a męską końcówką w komorze ładowania. 80 procent marek na rynku decyduje się na użycie szpilki pogo.
Pudełko do ładowania zestawu słuchawkowego TWS to idealny scenariusz ładowania bezprzewodowego o niskim poborze mocy. Bezprzewodowy zestaw słuchawkowy Bluetooth TWS, który obsługuje ładowanie bezprzewodowe, ma wbudowany moduł odbioru ładowania bezprzewodowego w pudełku ładującym, który można umieścić na ładowarce bezprzewodowej w celu ładowania jak telefon komórkowy ładujący bezprzewodowo, realizując ładowanie bezprzewodowe. „Naprawdę bezprzewodowa” funkcja Bluetooth plus bezprzewodowe ładowanie zapewnia lepsze wrażenia użytkownika i jest uważana za najlepszą formę prawdziwie bezprzewodowego zestawu słuchawkowego Bluetooth TWS.
Teraz słuchawki TWS są z grubsza podzielone na typy pół-douszne z długimi uchwytami i kształtami kiełków fasoli typu ślimakowego w konstrukcji główki słuchawek. Kształt słuchawek jest stosunkowo ograniczony, więc konstrukcja ładowania i ładowania stała się punktem przełomowym. Obraz jest prawidłowy Komora ładująca wprowadziła małą innowację, wykorzystując dwukolorowy proces formowania wtryskowego, ciemny i przezroczysty wygląd oraz wewnętrzną teksturę, a także wyświetlacz mocy, tworząc wysokiej jakości, zaawansowaną technologię!
Jak pokonać siedem wyzwań projektowych słuchawek TWS?
Oto kilka wskazówek, które pomogą rozwiązać niektóre z najtrudniejszych wyzwań w projektowaniu słuchawek TWS, od minimalizacji strat mocy po wydłużenie czasu czuwania.
Od czasu premiery Apple AirPods w 2016 r. rynek prawdziwych bezprzewodowych zestawów stereo (TWS) rósł o ponad 50 procent rocznie. Producenci tych popularnych słuchawek bezprzewodowych szybko dodają więcej funkcji (redukcja szumów, monitorowanie snu i stanu zdrowia), aby wyróżnić swoje produkty, ale dodanie wszystkich tych funkcji może być trudne z punktu widzenia inżynierii projektowej. W tym artykule dokonam przeglądu tych wyzwań.
Wyzwanie 1: Zminimalizuj straty mocy dzięki wydajnemu ładowaniu
Głównym wyzwaniem związanym z bezprzewodowymi słuchawkami jest uzyskanie dłuższego całkowitego czasu odtwarzania, gdy wkładki douszne w komorze baterii są w pełni naładowane. W takim przypadku dłuższy całkowity czas odtwarzania przekłada się na liczbę cykli ładowania wkładek dousznych przez cały okres ich użytkowania. Celem jest umożliwienie wydajnego ładowania przy jednoczesnym zminimalizowaniu zużycia energii od etui ładującego do wkładek dousznych.
Etui ładujące wysyła napięcie z akumulatora jako wejście do ładowania wkładek dousznych. Typowym rozwiązaniem jest konwerter boost ze stałym wyjściem 5V, który jest prostym rozwiązaniem, ale nie optymalizuje wydajności ładowania. Ponieważ baterie douszne są tak małe, projektanci często używają ładowarek liniowych. W przypadku korzystania ze stałego wejścia 5 V wydajność ładowania jest bardzo niska — około (V w - 5 batach) / 5 cali — i powoduje duży spadek napięcia na akumulatorze. Wystarczy podłączyć akumulator litowo-jonowy o średnim napięciu 3,6 V (w połowie rozładowany), a wejście 5 V ma tylko 72 procent wydajności.
I odwrotnie, użycie regulowanego konwertera boost lub buck-boost w etui ładującym wytwarza napięcie tylko nieznacznie powyżej typowego zakresu napięcia wkładek dousznych. Wymaga to komunikacji między etui ładującym a wkładkami dousznymi, co umożliwia dynamiczne dostosowywanie napięcia wyjściowego etui ładującego do baterii wkładek dousznych wraz ze wzrostem napięcia. Zminimalizuje to straty, zwiększy wydajność ładowania i znacznie zmniejszy ciepło.
Wyzwanie 2: Zmniejszenie całego rozwiązania bez usuwania funkcjonalności
Drugim wyzwaniem jest ogólne wyzwanie związane z projektowaniem małej baterii - jak zaprojektować baterię, która jest zarówno mała, jak i funkcjonalna. Prostym rozwiązaniem jest tutaj wybór urządzenia z bardziej zintegrowanymi komponentami. Np:
Wydajna ładowarka liniowa, która integruje dodatkowe szyny zasilające do zasilania głównego bloku systemowego i jest dobrym wyborem dla słuchawek bezprzewodowych.
W przypadku energochłonnych modułów niskonapięciowych, takich jak procesory i moduły komunikacji bezprzewodowej, najlepszym wyborem pod względem wydajności są szyny wymiany.
W przypadku bloków czujników, które nie wymagają dużej mocy, ale wymagają niskiego poziomu hałasu, rozważ użycie regulatora o niskim spadku.
Jeśli Twoje słuchawki bezprzewodowe są wyposażone w analogowe czujniki front-end do pomiaru tlenu we krwi i tętna, możesz również potrzebować konwertera doładowania.
Zintegruj dodatkowe szyny zasilające z ładowarką, aby zmniejszyć jej rozmiar. Jednak zawsze istnieje kompromis między większą integracją dla mniejszych rozmiarów a używaniem bardziej dyskretnych układów scalonych (IC) w celu zapewnienia elastyczności.
Wyzwanie 3: Wydłuż czas czuwania
Czas czuwania jest ważny, ponieważ konsumenci oczekują, że słuchawki będą odtwarzać muzykę nawet po długich okresach bezczynności poza etui ładującym. Rozważ użycie baterii litowo-jonowych o większej gęstości energii w słuchawkach dousznych, które zazwyczaj mają wyższe napięcia, takie jak 4,35 V i 4,4 V, aby można było zmagazynować więcej energii. Pełne naładowanie wydłuża również czas czuwania. Ładowarka akumulatorów o małym prądzie końcowym i wysokiej dokładności pomoże wydłużyć czas czuwania. Jeśli nastąpi duża zmiana w specyfikacji prądu zakończenia, możesz skończyć z wyższym prądem zakończenia, co może prowadzić do przedwczesnego zakończenia i niskiego poziomu naładowania baterii.
Bateria 41 mAh zakończona na 1 mAh w porównaniu do 4 mAh. Jeśli nominalny prąd końcowy 1mA różni się znacznie i faktycznie kończy się na 4mA, pojemność baterii 2mAh pozostanie niewykorzystana. Niższy prąd końcowy i wyższa dokładność zwiększają efektywną pojemność baterii.
Niski prąd spoczynkowy (IQ) jest również ważny dla wydłużenia czasu czuwania w różnych trybach pracy. Układ scalony ładowarki ze ścieżką zasilania i zerowym prądem w trybie statku zapobiegnie rozładowaniu akumulatora, zanim produkt dotrze do konsumenta, umożliwiając natychmiastowe użycie. Ścieżka zasilania wymaga umieszczenia tranzystorów polowych typu metal-tlenek-półprzewodnik między akumulatorem a systemem, aby odpowiednio zarządzać systemem i ścieżkami akumulatora.
Gdy wkładki douszne odtwarzają muzykę lub pracują na biegu jałowym, pobór prądu przez system musi być jak najmniejszy. Znajdując ładowarkę o niskim poziomie również minimalizuję I systemu. Na przykład ładowarki akumulatorów często wymagają sieci rezystorów o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC) do pomiaru temperatury akumulatora.
Niektóre rozwiązania dostępne na rynku nie mogą wyłączyć prądu NTC podczas pracy w trybie bateryjnym. Albo przeciekają za dużo (przeciek może przekroczyć 200µ, gdy sieć NTC ma 20 kΩ) albo wymagają dodatkowego wejścia/wyjścia i wyłączają go przełącznikiem.
Wyzwanie 4: Projektowanie zabezpieczeń
Producenci akumulatorów często mają wytyczne dotyczące ładowania akumulatorów w różnych temperaturach, a akumulatory muszą pozostawać w tych bezpiecznych obszarach operacyjnych podczas użytkowania. Niektóre wymagają standardowego profilu, w którym ładowanie zatrzymuje się poza granicami wysokiej i niskiej temperatury. Na przykład inne firmy mogą wymagać określonych informacji od Japan Electronics and Information Technology Association. Aby zachować zgodność z tymi profilami temperatur, poszukaj profilu z niezbędną wbudowaną lub pewną programowalnością I twoC. BQ21061 i BQ25155 posiadają rejestry do ustawienia okna temperatury i działań, które należy podjąć w określonym zakresie temperatur.
Blokada podnapięciowa akumulatora (UVLO) to kolejna funkcja bezpieczeństwa, która zapobiega nadmiernemu rozładowaniu akumulatora, a tym samym obciążeniu. Gdy napięcie akumulatora spadnie poniżej pewnego progu, UVLO odcina ścieżkę rozładowania. Na przykład dla akumulatora Li-Ion naładowanego napięciem 4,2 V, wspólny próg odcięcia wynosi od 2,8 V do 3 V.
Wyzwanie 5: Zapewnienie niezawodności systemu
Niska niezawodność systemu powodowała, że niektóre mikroprocesory blokowały się, gdy użytkownik podłączał adapter. Chociaż jest to rzadkie, wymaga zresetowania zasilania systemu, aby mikroprocesor mógł się zrestartować i powrócić do normy. Niektóre ładowarki akumulatorów integrują zegar nadzoru resetowania sprzętowego, który wykonuje reset sprzętowy lub cykl zasilania (jeśli nie) dwie transakcje C są wykrywane jakiś czas po podłączeniu adaptera przez użytkownika. Po zresetowaniu systemu ścieżka zasilania zostaje odłączona i ponownie podłączona do akumulatora i systemu.
Podobnie jak w przypadku licznika watchdog resetowania sprzętowego, tradycyjny zegar watchdog programowy również pomaga poprawić niezawodność systemu, resetując rejestr ładowarki do wartości domyślnej po okresie braku transakcji w dwóchC. Ten reset zapobiega nieprawidłowemu ładowaniu akumulatora, gdy mikroprocesor jest w stanie awarii.
Wyzwanie 6: Monitoruj najlepsze obszary operacyjne
Szóstym wyzwaniem jest monitorowanie parametrów systemu, które można skutecznie osiągnąć dzięki wbudowanemu precyzyjnemu przetwornikowi analogowo-cyfrowemu (ADC). Pomiar napięcia akumulatora jest dobrym parametrem, ponieważ zapewnia wygodną, choć przybliżoną, reprezentację stanu naładowania akumulatora. Ogólna zasada oznacza, że stan naładowania wymagany przez bezprzewodowy zestaw słuchawkowy jest wyższy niż ±5 procent .
Wbudowany przetwornik ADC o wysokiej dokładności umożliwia również monitorowanie i podejmowanie działań dotyczących temperatury akumulatora i płyty podczas ładowania i rozładowywania. Inne parametry, które ładowarka może monitorować, obejmują napięcie/prąd wejściowy, napięcie/prąd ładowania oraz napięcie systemu. Wbudowany komparator pomaga również wygodnie monitorować określone parametry i wysyłać przerwania do hosta. Jeśli parametr mieści się w normalnym zakresie, a komparator nie jest wyzwolony, host nie musi stale odczytywać interesującego nas parametru. BQ25155 jest dobrym przykładem monitorowania parametrów systemu, ponieważ ma ADC i komparator.
Wyzwanie 7: Uprość łączność bezprzewodową
Niektóre słuchawki bezprzewodowe mają funkcję, która wyświetla stan ładowania słuchawek i etui ładującego na smartfonie, gdy słuchawki znajdują się w etui ładującym, a pokrywa jest otwarta. Aby to wspierać, słuchawki muszą informować o stanie naładowania, gdy tylko zostaną podłączone do etui, nawet jeśli bateria jest rozładowana. Główny układ musi być wybudzony, aby zgłosić stan ładowania, więc w tym przypadku wkładki douszne musi być zasilane przez zewnętrzne źródło zasilania. Ładowarka ze ścieżką zasilania umożliwia systemowi uzyskanie wyższego napięcia z VBU podczas ładowania akumulatora niższym napięciem.
Kilka funkcji bezprzewodowej ładowarki słuchawek (takich jak tryb wysyłkowy, resetowanie zasilania systemu, UVLO akumulatora, dokładny prąd na zaciskach i natychmiastowe raportowanie stanu naładowania) nie jest możliwych bez możliwości ścieżki zasilania, która wymaga umieszczenia zarówno akumulatora, jak i systemu MOSFET pomiędzy, aby oddzielnie zarządzać systemem i ścieżkami baterii. Rysunek 5 przedstawia ładowarkę ze ścieżką zasilania i bez.
Ładowarki przełączające i liniowe można zobaczyć w konstrukcji etui ładującego w zależności od rozmiaru akumulatora i szybkości ładowania. Ładowarki przełączające są bardziej wydajne i generują mniej ciepła, co jest ważne przy dużych prądach 700mA i wyższych. Ładowarki przełączające są zwykle wyposażone w zintegrowaną funkcję doładowania lub śledzenia, która zwiększa napięcie akumulatora i zapewnia napięcie wejściowe do ładowania wkładek dousznych. Ładowarki liniowe są również dobrym wyborem do skrzynek akumulatorowych o niskim natężeniu prądu, ponieważ oferują niski koszt i niski IQ.
Ładowalne aparaty słuchowe stanowią podobne wyzwania konstrukcyjne. Zazwyczaj są mniejsze niż wkładki douszne, dzięki czemu są niewidoczne i dlatego wymagają większej integracji zasilania na mniejszym obszarze. Wymagają również szyn zasilających o niskim poziomie szumów, w tym topologii przełączanych kondensatorów, aby zapewnić doskonałą czystość dźwięku.