TWS藍牙耳機介紹及TI低功耗方案

TWS(True Wireless Stereo, 真無線立體聲)藍牙耳機是近年來異常火熱的音頻產品。它借助藍牙芯片，先將手機與主耳機建立無線連接，再建立起主耳機和副耳機的無線通訊，從而完全摒棄了傳統耳機間的線材連接，極大地方便了用戶的使用。另外，主耳機是可以單獨使用的，完全能夠勝任現有市場上的單顆藍牙耳機的應用需求，使用功能非常強大。因此自從2016年9月蘋果發布第一款TWS耳機——Airpods以來，市場反響就非常熱烈，后續音頻廠商見此迅速跟進，扎堆布局TWS藍牙耳機，使TWS耳機市場異彩紛呈。接下來Bluetooth 5 將帶來更精彩的使用者體驗，新的充電盒設計會讓消費者更為方便。

輕巧且便于攜帶是TWS耳機最為重要的設計目標，受限于充電盒和耳機的狹小空間，這兩部分所用的電池容量都無法做大，充電盒的容量一般在1000mAh以內(其中又以200-700mAh范圍內最為常見)，而耳機端的容量更小，絕大部分都小于100mAh。因此無論是充電盒還是耳機，都應該重視系統低功耗的設計，保證產品有較長的使用時間。

1、充電盒系統介紹
詳細的充電盒系統框圖如下：

圖1 TWS充電盒系統框圖

信號鏈部分，傳感器主要有霍爾傳感器，實現盒子的開合檢測。LED燈實現酷炫的顯示效果，藍牙芯片則可以將盒子信息傳送給手機，便于手機查看盒子電量信息。按鍵檢測可能需要一些邏輯器件，如SN74LVC1G74這種D觸發器，可以將按鍵的脈沖沿轉變成電平的翻轉，便于MCU記錄按鍵信息。

電源軌部分，一般輸入口做成5V的micro USB接口(蘋果的Airpods是lightning接口，也是5V)。考慮到當前有不少支持高壓快充的適配器，因此充電盒需要一個過壓保護芯片做誤插防護，再加一顆charger給鋰電池充電。目前很多的charger都集成了過壓保護的功能，但是過壓響應時間大部分是us級別，建議額外再加一顆過壓保護芯片做快速保護。Charger方面，建議用帶power-path(即路徑管理)的charger，一方面，當盒子電池電量較低時，插上適配器可以立刻得到較高的系統電壓，保證盒子可以立刻給低電量耳機供電；另一方面，當快充電流設置的較小時，若負載需要恒定吃載(如驅動LED燈)，這部分的負載很可能在charger的截止電流附近，不帶power-path功能的話charger很可能無法判斷電池已經充滿，使用體驗就會差一些。

電池一般都是單節鋰電池，一般是由電池包廠商提供，并且已經將電量計和二次保護IC封包在內，保證電池更可靠的工作。單節鋰電池的電源主要供給兩部分：一部分升壓到5V給耳機供電，另一部分降壓到3V及以下給盒子內的MCU/Sensor等。

TI的產品非常豐富，能夠覆蓋充電盒絕大部分的需求，這里簡要推薦如下幾款IC，用在充電盒里再合適不過。推薦的指標主要是封裝和功耗，功耗主要是IC在enable下的靜態電流。需要提一下的是，由于過壓保護和charger是在充電的時候才工作，此時adapter外掛，電源充足，因此這兩部分不要求Iq小，但應該重視charger的漏電電流。

表1 TI充電盒方案匯總

2、耳機系統介紹

TWS一般有兩個耳機，他們的系統都是一樣的，詳細框圖如下：

圖2 耳機系統框圖

信號鏈部分，藍牙芯片負責接收手機發送過來的數據，然后經過耳放推動耳機。傳感器主要是重力傳感器，檢測耳機晃動等信號。目前藍牙芯片的集成度非常高，還能做一些調音的功能。

電源軌部分，受限于非常狹小的耳機空間，耳機端已經不能做成micro USB接口的供電口，通常改成特定的金屬接觸片方式。耳機輸入電源來自于充電盒升壓穩定后的5V，因此耳機端的輸入不存在過壓的風險，可以不必加過壓保護，直接經過charger后就可以給單節鋰電池充電。同樣的，電池同樣由電池包廠商提供，集成電量計和二次保護。電池經過LDO再給系統提供2.5V或者1.8V的電源。

與充電盒的設計相比，耳機端的空間更小，對芯片的封裝和功耗提出了更嚴格的要求。針對這種情況，TI在耳機端的方案匯總如下：

表2 TI耳機方案匯總

3、TI參考設計

TI有一份針對TWS耳機的參考設計TIDA-050007，下圖是參考設計的系統框圖。這個參考設計整機功耗只有18uA，并且采用簡易算法實現升壓的動態調節，在充電盒電池電壓高于耳機電池電壓時升壓芯片TPS61099還可以進入直通模式，使充電效率進一步提高。

圖3 TIDA-050007參考設計系統框圖

圖4 TI線上資源無線耳機系統框圖

綜上所述，TWS耳機的設計需要綜合考慮功耗、封裝和性能，使產品具有更好的體驗結果。借助于TI豐富的資源，可以幫助你輕松實現產品的設計。