如何克服TWS耳機的七個設計難題

以下是一些技巧，有助于解決TWS耳機設計中的一些最棘手的挑戰，從最小化功率損耗到延長待機時間。

自2016年Apple AirPods發布以來，真正的無線立體聲（TWS）市場已經以每年超過50%的速度增長。這些廣受歡迎的無線耳機制造商正迅速增加更多功能（噪音消除、睡眠和健康監測），以使其產品與眾不同，但是從設計工程的角度來看，添加所有這些特性可能很困難。在本文中，我將回顧這些挑戰。

圖1：帶耳塞和充電盒的真正無線立體聲應用示例（圖片：TI公司）

挑戰1：通過高效充電將功率損耗降至最低

無線耳機的一個主要挑戰是在電池盒中的耳塞充滿電后，實現更長的總播放時間。在這種情況下，一個較長的總播放時間轉化為一個案件可以充電耳塞在其整個生命周期的周期數。其目標是實現高效充電，同時最大限度地減少從充電盒到耳塞的功耗。

充電盒輸出一個來自電池的電壓，作為輸入給耳塞充電。典型的方案是一個輸出固定5V的升壓變換器，這是一個簡單的解決方案，但不能優化充電效率。因為耳塞的電池非常小，所以設計師通常使用線性充電器。當使用固定的5伏輸入時，充電效率很低–大約（V在-五蝙蝠)/五在–并對電池產生較大的電壓跌落。插上平均3.6V鋰離子電池電壓（半放電），5V輸入的效率僅為72%。

相反，在充電箱中使用可調輸出升壓或降壓升壓轉換器，產生的電壓僅略高于耳塞的典型電壓范圍。這就需要從充電盒到耳塞之間進行通信，這使得充電盒的輸出電壓能夠隨著電壓的增加而動態調整到耳塞的電池。這將最大限度地減少損耗，提高充電效率，并顯著降低熱量。圖2顯示了這樣一個系統的例子。

圖2：使用雙針接口的無線耳機的高效充電系統（來源：TI應用報告）

挑戰2：縮小整體解決方案規模而不刪除功能

第二個挑戰是小型電池設計的普遍性挑戰——如何設計既小尺寸又大功能的電池。這里的簡單解決方案是選擇具有更集成組件的設備。例如：

• 一個高性能的線性充電器，集成了額外的電源軌，為主系統塊供電，是無線耳機的一個不錯的選擇。

• 對于處理器和無線通信模塊等耗電量大、電壓低的模塊，交換軌是提高效率的最佳選擇。

• 對于不需要太大功率但確實需要低噪聲的傳感器塊，可以考慮使用低壓差調節器。

• 如果無線耳機集成了模擬前端傳感器來測量血氧和心率，您可能還需要一個升壓轉換器。

將額外的電源軌集成到充電器中，使其外形尺寸更小。然而，在集成更多以獲得更小與使用更多的離散集成電路（IC）以獲得靈活性之間，始終存在一種權衡。

挑戰3：延長待機時間

待機時間很重要，因為消費者希望耳機在充電箱外長時間閑置后也能播放音樂?？紤]在耳塞中使用能量密度更高的鋰離子電池，這種電池通常具有更高的電壓，比如4.35伏和4.4伏，這樣就可以儲存更多的能量。充滿電也會增加待機時間。一個電池充電器的特點是一個小終止電流和高精度將有助于延長待機時間。如果終端電流規格有很大的變化，您可能最終得到較高的端接電流，這會導致提前終止和電池電量不足。

圖3顯示了一個41毫安時電池在1毫安時與4毫安時終止的情況。如果標稱1毫安終止電流變化很大，實際終止于4毫安時，則2毫安時的電池容量將保持未開發狀態。較低的端接電流和較高的精度可增加有效電池容量。

圖3：標稱端接電流為1毫安時的41毫安時電池實際上在4毫安時終止(圖片：TI公司）

低靜態電流（I問)在不同的工作模式下，延長待機時間也很重要。一個電源路徑和接近零的船舶模式電流的充電器集成電路將防止電池在產品到達消費者之前耗盡，支持立即使用。功率路徑需要在電池和系統之間放置金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），以分別管理系統和電池路徑。

當耳塞在播放音樂或空閑時，系統的電流消耗需要盡可能小。尋找一個低I的充電器問同時也最小化了系統的I問. 例如，電池充電器通常需要負溫度系數（NTC）電阻網絡來測量電池溫度。這個BQ21061型和BQ25155例如，德州儀器公司的充電器集成了一個電流源來偏置電阻網絡，當不進行測量時，電阻網絡可能會關閉。

市場上的一些解決方案在電池模式下工作時無法關閉NTC電流。它們要么泄漏過多（泄漏量可能超過200μ當NTC網絡有20 k時Ω 或需要額外的輸入/輸出，并通過開關將其關閉。

挑戰4：安全設計

電池組制造商通常有在不同溫度下給電池充電的指導方針，電池在使用過程中必須保持在這些安全操作區域。有些需要一個標準配置文件，充電停止在冷熱溫度邊界之外。例如，其他公司可能需要日本電子信息技術協會提供具體的資料。要符合這些溫度曲線，請尋找具有必要的內置配置文件或一些I twoC可編程性。BQ21061和BQ25155具有設置溫度窗口和在特定溫度范圍內采取的措施的寄存器。

電池欠壓鎖定（UVLO）是另一個安全功能，防止電池過度放電，從而受到壓力。一旦電池電壓低于某個閾值，UVLO就會切斷放電路徑。例如，對于一個充滿4.2V電壓的鋰離子電池，一個常見的截止閾值是2.8V到3V。

挑戰5：確保系統可靠性

當用戶插入適配器時，系統可靠性低會導致一些微處理器卡住。雖然這種情況很少見，但它需要重置系統電源，這樣微處理器才能重新啟動并恢復正常。一些電池充電器集成了一個硬件重置看門狗定時器，該定時器執行硬件重置或電源循環（如果沒有） two在使用者插入適配器后的一段時間內檢測到C事務。系統復位后，電源路徑斷開并重新連接電池和系統。

與硬件重置看門狗計時器類似，傳統的軟件看門狗計時器也有助于提高系統可靠性，方法是在I中沒有事務的一段時間后，將充電器寄存器重置為默認值 twoC。當微處理器處于故障狀態時，此重置可防止電池錯誤充電。

挑戰6：監控最佳操作區域

第六個挑戰是監控系統參數，內置的高精度模數轉換器（ADC）可以有效地實現這一點。測量電池電壓是一個很好的參數，因為它可以方便地表示電池的充電狀態，雖然是近似的。根據經驗，如果無線耳機要求的充電狀態高于±5%。

高精度的內置ADC還允許您在充電和放電期間監測電池和電路板的溫度，并采取措施。充電器可以監測的其他參數包括輸入電壓/電流、充電電壓/電流和系統電壓。內置的比較器還可以方便地幫助監視特定的參數并向主機發送中斷。如果參數在正常范圍內并且不觸發比較器，主機就不必不斷地讀取感興趣的參數。BQ25155是一個很好的例子，它可以監控系統參數，因為它有一個ADC和比較器。

挑戰7：簡化無線連接

圖4:TWS智能手機充電狀態報告（圖片：TI公司）

一些無線耳機有一個功能，當耳機在充電盒中并且蓋子打開時，可以在智能手機上顯示耳機和充電盒的充電狀態。為了支持這一功能，即使電池電量耗盡，耳機也必須在插入外殼時立即報告充電狀態。主芯片必須處于喚醒狀態才能報告充電狀態，因此在這種情況下，外部電源必須為耳塞供電。具有電源路徑的充電器使系統能夠從VBU獲得更高的電壓，同時以較低的電壓為電池充電。

無線耳機充電器的幾個功能（如船舶模式、系統電源重置、電池UVLO、精確終端電流和即時充電狀態報告）在沒有電源路徑功能的情況下是不可能實現的，這需要在電池和系統之間放置一個MOSFET，以分別管理系統和電池路徑。圖5說明了帶和不帶電源路徑的充電器。

根據電池大小和充電率，在充電箱設計中可以看到開關和線性充電器。開關充電器具有更高的效率和產生更少的熱量，這對于700毫安及更高的大電流非常重要。開關充電器通常帶有集成的升壓或隨行功能，可以提高電池電壓，為耳塞充電提供輸入電壓。線性充電器也是低電流水平電池盒的好選擇，因為它們提供低成本和低I問 .

可充電助聽器也有類似的設計挑戰。它們通常比耳塞小，這樣看起來就看不見了，因此需要在更小的面積內進行更多的功率整合。他們還需要低噪音的電源軌，包括一個開關電容拓撲，以獲得卓越的音頻清晰度。

圖5：帶或不帶電源路徑的電池充電器（TI公司）

隨著制造商不斷尋求性能、功能和尺寸的提升，電池充電器IC將繼續成為TWS產品設計中的重要元素。為了應對本文中討論的挑戰，請務必考慮使用高性能充電器。