Comment concevoir une broche Pogo de charge pour les écouteurs TWS ?
Le casque Bluetooth sans fil TWS est l'un des produits portables intelligents préférés des hommes, des femmes et des enfants ces dernières années. Il est petit et exquis, facile à charger et a différentes formes. Il peut être chargé en le plaçant dans le compartiment de charge. L'un des composants principaux du compartiment de chargement du casque Bluetooth TWS est la broche pogopin pogo. Les écouteurs TWS peuvent être chargés par contact entre l'extrémité femelle de la broche pogo et l'extrémité mâle dans le compartiment de charge. 80% des marques sur le marché choisissent d'utiliser la broche pogo.
Le boîtier de charge du casque TWS est un scénario de charge sans fil idéal à faible consommation. Le casque Bluetooth sans fil TWS qui prend en charge la charge sans fil dispose d'un module de réception de charge sans fil intégré dans le boîtier de charge, qui peut être placé sur le chargeur sans fil pour charger comme un téléphone portable à charge sans fil, réalisant une charge sans fil. La fonction "vraiment sans fil" de Bluetooth plus la charge sans fil offre une meilleure expérience utilisateur et est considérée comme la forme ultime du véritable casque Bluetooth sans fil TWS.
Désormais, les écouteurs TWS sont grossièrement divisés en types semi-intra-auriculaires avec de longues poignées et des formes de germes de soja de type cochléaire dans la conception de la tête du casque. La forme des écouteurs est relativement limitée, de sorte que la conception de la charge et de la charge est devenue un point décisif. L'image est juste Le compartiment de charge a fait une petite innovation, en utilisant un processus de moulage par injection bicolore, un aspect sombre et transparent, et une conception de texture interne, et avec l'affichage de puissance, créant une sensation de haute qualité et de haute technologie !
Comment surmonter les sept défis de conception des écouteurs TWS ?
Voici quelques conseils pour vous aider à résoudre certains des défis les plus difficiles de la conception des écouteurs TWS, de la minimisation des pertes de puissance à l'allongement du temps de veille.
Depuis la sortie des Apple AirPods en 2016, le marché de la véritable stéréo sans fil (TWS) a augmenté de plus de 50 % par an. Les fabricants de ces écouteurs sans fil populaires ajoutent rapidement plus de fonctionnalités (annulation du bruit, veille et surveillance de la santé) pour différencier leurs produits, mais l'ajout de toutes ces fonctionnalités peut être difficile du point de vue de l'ingénierie de conception. Dans cet article, je passerai en revue ces défis.
Défi 1 : Minimiser la perte de puissance grâce à une charge efficace
Un défi majeur avec les écouteurs sans fil est d'obtenir un temps de lecture total plus long lorsque les écouteurs dans le compartiment de la batterie sont complètement chargés. Dans ce cas, une durée de lecture totale plus longue se traduit par le nombre de cycles qu'un boîtier peut charger les écouteurs pendant toute leur durée de vie. L'objectif est de permettre une charge efficace tout en minimisant la consommation d'énergie du boîtier de charge aux écouteurs.
Le boîtier de charge produit une tension de la batterie comme entrée pour charger les écouteurs. La solution typique est un convertisseur boost avec une sortie 5V fixe, qui est une solution simple mais n'optimise pas l'efficacité de la charge. Parce que les batteries des écouteurs sont si petites, les concepteurs utilisent souvent des chargeurs linéaires. Lors de l'utilisation d'une entrée fixe de 5 V, l'efficacité de charge est très faible - environ (V en - 5 bats) / 5 in - et produit une chute de tension importante sur la batterie. Branchez une tension de batterie Li-Ion moyenne de 3,6 V (à moitié déchargée) et l'entrée 5 V n'est efficace qu'à 72 %.
À l'inverse, l'utilisation d'un convertisseur boost ou buck-boost à sortie réglable dans le boîtier de charge produit une tension légèrement supérieure à la plage de tension typique des écouteurs. Cela nécessite une communication entre le boîtier de charge et les écouteurs, ce qui permet à la tension de sortie du boîtier de charge de s'adapter dynamiquement à la batterie des écouteurs lorsque la tension augmente. Cela minimisera les pertes, augmentera l'efficacité de la charge et réduira considérablement la chaleur.
Défi 2 : Réduire la solution globale sans supprimer de fonctionnalité
Le deuxième défi est le défi général de la conception de petites batteries - comment concevoir une batterie qui est à la fois de petite taille et de grande fonction. La solution simple ici est de choisir un appareil avec des composants plus intégrés. Par exemple:
Un chargeur linéaire hautes performances qui intègre des rails d'alimentation supplémentaires pour alimenter le bloc système principal et constitue un bon choix pour les écouteurs sans fil.
Pour les modules basse tension gourmands en énergie tels que les processeurs et les modules de communication sans fil, les rails d'échange sont le meilleur choix pour l'efficacité.
Pour les blocs de capteurs qui ne nécessitent pas beaucoup de puissance mais qui nécessitent un faible bruit, envisagez d'utiliser un régulateur à faible chute de tension.
Si vos écouteurs sans fil intègrent des capteurs frontaux analogiques pour mesurer l'oxygène sanguin et la fréquence cardiaque, vous aurez peut-être également besoin d'un convertisseur élévateur.
Intégrez des rails d'alimentation supplémentaires dans le chargeur pour réduire son facteur de forme. Cependant, il y a toujours un compromis entre intégrer davantage pour des tailles plus petites et utiliser des circuits intégrés (CI) plus discrets pour plus de flexibilité.
Défi 3 : Prolonger le temps de veille
Le temps de veille est important car les consommateurs s'attendent à ce que les écouteurs diffusent de la musique même après de longues périodes d'inactivité en dehors du boîtier de charge. Envisagez d'utiliser des batteries lithium-ion à plus haute densité d'énergie dans les écouteurs, qui ont généralement des tensions plus élevées, telles que 4,35 volts et 4,4 volts, afin que plus d'énergie puisse être stockée. Une charge complète augmente également le temps de veille. Un chargeur de batterie avec un petit courant de terminaison et une grande précision aidera à prolonger le temps de veille. S'il y a un changement important dans la spécification du courant de terminaison, vous pouvez vous retrouver avec un courant de terminaison plus élevé, ce qui peut entraîner une terminaison prématurée et une batterie faible.
Une batterie de 41 mAh terminée à 1 mAh contre 4 mAh. Si le courant de terminaison nominal de 1 mA varie considérablement et se termine en fait à 4 mA, la capacité de la batterie de 2 mAh restera inexploitée. Un courant de terminaison plus faible et une plus grande précision augmentent la capacité effective de la batterie.
Un faible courant de repos (IQ) est également important pour prolonger le temps de veille dans différents modes de fonctionnement. Un circuit intégré de chargeur avec un chemin d'alimentation et un courant de mode navire proche de zéro empêchera la batterie de se décharger avant que le produit n'atteigne le consommateur, permettant une utilisation immédiate. Le chemin d'alimentation nécessite de placer des transistors à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur entre la batterie et le système pour gérer respectivement les chemins du système et de la batterie.
Lorsque les écouteurs diffusent de la musique ou sont inactifs, la consommation de courant du système doit être aussi faible que possible. Trouver un chargeur à faible je minimise également le I du système. Par exemple, les chargeurs de batterie nécessitent souvent un réseau de résistances à coefficient de température négatif (NTC) pour mesurer la température de la batterie.
Certaines solutions du marché ne peuvent pas couper le courant NTC lorsqu'elles fonctionnent en mode batterie. Soit ils fuient trop (la fuite peut dépasser 200 µ lorsque le réseau NTC a 20 kΩ) soit ils nécessitent des E/S supplémentaires et les éteignent avec un interrupteur.
Défi 4 : Conception de la sécurité
Les fabricants de batteries ont souvent des directives pour charger les batteries à différentes températures, et les batteries doivent rester dans ces zones de fonctionnement sûres pendant l'utilisation. Certains nécessitent un profil standard où la charge s'arrête en dehors de la limite de température chaude et froide. Par exemple, d'autres sociétés peuvent exiger des informations spécifiques de la Japan Electronics and Information Technology Association. Pour vous conformer à ces profils de température, recherchez un profil avec la programmabilité intégrée nécessaire ou une certaine programmabilité I twoC. Les BQ21061 et BQ25155 ont des registres pour définir la fenêtre de température et les actions à entreprendre dans une plage de température spécifique.
Le verrouillage de sous-tension de la batterie (UVLO) est une autre caractéristique de sécurité qui empêche la batterie d'être trop déchargée et donc stressée. Une fois que la tension de la batterie tombe en dessous d'un certain seuil, UVLO coupe le chemin de décharge. Par exemple, pour une batterie Li-Ion chargée à 4,2 V, un seuil de coupure commun est de 2,8 V à 3 V.
Défi 5 : Assurer la fiabilité du système
La faible fiabilité du système a provoqué le blocage de certains microprocesseurs lorsque l'utilisateur a branché l'adaptateur. Bien que cela soit rare, cela nécessite une réinitialisation de l'alimentation du système afin que le microprocesseur puisse redémarrer et revenir à la normale. Certains chargeurs de batterie intègrent une minuterie de chien de garde de réinitialisation matérielle qui effectue une réinitialisation matérielle ou un cycle d'alimentation (sinon) deux transactions C sont détectées quelque temps après le branchement de l'adaptateur par l'utilisateur. Après une réinitialisation du système, le chemin d'alimentation est déconnecté et reconnecté à la batterie et au système.
Semblable au temporisateur de chien de garde de réinitialisation matérielle, le temporisateur de chien de garde logiciel traditionnel contribue également à améliorer la fiabilité du système en réinitialisant le registre du chargeur à sa valeur par défaut après une période sans transaction dans le twoC. Cette réinitialisation évite que la batterie soit chargée de manière incorrecte lorsque le microprocesseur est dans un état défectueux.
Défi 6 : Surveiller les meilleures zones d'exploitation
Le sixième défi consiste à surveiller les paramètres du système, ce qui peut être réalisé efficacement par un convertisseur analogique-numérique (CAN) haute précision intégré. La mesure de la tension de la batterie est un bon paramètre car elle fournit une représentation pratique, bien qu'approximative, de l'état de charge de la batterie. En règle générale, si l'état de charge requis par le casque sans fil est supérieur à ± 5 % .
L'ADC intégré de haute précision vous permet également de surveiller et d'agir sur la température de la batterie et de la carte pendant la charge et la décharge. D'autres paramètres que le chargeur peut surveiller incluent la tension/le courant d'entrée, la tension/le courant de charge et la tension du système. Le comparateur intégré aide également à surveiller des paramètres spécifiques et à envoyer des interruptions à l'hôte. Si le paramètre est dans la plage normale et que le comparateur n'est pas déclenché, l'hôte n'a pas à lire en permanence le paramètre d'intérêt. Le BQ25155 est un bon exemple pour surveiller les paramètres du système car il dispose d'un ADC et d'un comparateur.
Défi 7 : Simplifier la connectivité sans fil
Certains écouteurs sans fil ont une fonction qui affiche l'état de charge des écouteurs et de l'étui de charge sur le smartphone lorsque les écouteurs sont dans l'étui de charge et que le couvercle est ouvert. Pour supporter cela, les écouteurs doivent signaler l'état de charge dès qu'ils sont branchés sur le boîtier, même si la batterie est épuisée. La puce principale doit être éveillée pour signaler l'état de charge, donc dans ce cas, la source d'alimentation externe doit alimenter les écouteurs. Un chargeur avec un chemin d'alimentation permet au système d'obtenir une tension plus élevée du VBU tout en chargeant la batterie à une tension plus faible.
Plusieurs fonctionnalités du chargeur de casque sans fil (telles que le mode navire, la réinitialisation de l'alimentation du système, la batterie UVLO, le courant de borne précis et le rapport d'état de charge instantané) ne sont pas possibles sans la capacité de chemin d'alimentation, qui nécessite à la fois la batterie et le système A MOSFET à placer entre les deux pour gérer séparément les chemins du système et de la batterie. La figure 5 illustre le chargeur avec et sans chemin d'alimentation.
Les chargeurs à découpage et linéaires peuvent être vus dans la conception du boîtier de charge en fonction de la taille de la batterie et du taux de charge. Les chargeurs à découpage sont plus efficaces et génèrent moins de chaleur, ce qui est important pour les courants élevés de 700 mA et plus. Les chargeurs à découpage sont généralement dotés d'une fonction intégrée d'amplification ou de suivi qui augmente la tension de la batterie et fournit la tension d'entrée pour charger les écouteurs. Les chargeurs linéaires sont également un bon choix pour les boîtiers de batterie à faible niveau de courant car ils offrent un faible coût et un faible QI.
Les aides auditives rechargeables présentent des défis de conception similaires. Ils sont généralement plus petits que les écouteurs, de sorte qu'ils sont invisibles et nécessitent donc plus d'intégration de puissance dans une zone plus petite. Ils nécessitent également des rails d'alimentation à faible bruit, y compris une topologie à condensateur commuté, pour une clarté audio supérieure.