Hoe ontwerp je een oplaad-Pogo-pin voor TWS-oordopjes?
TWS draadloze Bluetooth-headset is een van de slimme draagbare producten die de laatste jaren favoriet zijn bij mannen, vrouwen en kinderen. Het is klein en voortreffelijk, gemakkelijk op te laden en heeft verschillende vormen. Hij kan worden opgeladen door hem in het oplaadcompartiment te plaatsen. Een van de kerncomponenten in het oplaadcompartiment van de TWS Bluetooth-headset is de pogopin pogo-pin. TWS-oortelefoons kunnen worden opgeladen door contact tussen het vrouwelijke uiteinde van de pogo-pin en het mannelijke uiteinde in het oplaadcompartiment. 80 procent van de merken op de markt kiest ervoor om de pogo-pin te gebruiken.
De oplaaddoos voor de TWS-headset is een ideaal scenario voor draadloos opladen met laag vermogen. De TWS draadloze Bluetooth-headset die draadloos opladen ondersteunt, heeft een ingebouwde ontvangstmodule voor draadloos opladen in de oplaaddoos, die op de draadloze oplader kan worden geplaatst om op te laden als een draadloze oplaadbare mobiele telefoon, waardoor draadloos opladen wordt gerealiseerd. De "echt draadloze" functie van Bluetooth plus draadloos opladen heeft een betere gebruikerservaring en wordt beschouwd als de ultieme vorm van TWS echte draadloze Bluetooth-headset.
Nu zijn TWS-oortelefoons grofweg onderverdeeld in semi-in-ear-types met lange handvatten en cochleaire taugévormen in het ontwerp van de hoofdtelefoonkop. De vorm van oortelefoons is relatief beperkt, dus het ontwerp van opladen en opladen is een doorbraakpunt geworden. Het plaatje klopt. Het oplaadcompartiment heeft een kleine innovatie doorgevoerd, met behulp van een tweekleurig spuitgietproces, een donker en transparant uiterlijk en een intern textuurontwerp, en met het vermogensdisplay, waardoor een hoogwaardig, hightech gevoel wordt gecreëerd!
Hoe zeven ontwerpuitdagingen van TWS-hoofdtelefoons te overwinnen?
Hier zijn enkele tips om enkele van de moeilijkste uitdagingen in het ontwerp van TWS-hoofdtelefoons op te lossen, van het minimaliseren van stroomverlies tot het verlengen van de stand-bytijd.
Sinds de release van Apple AirPods in 2016 is de markt voor echte draadloze stereo (TWS) jaarlijks met meer dan 50 procent gegroeid. De makers van deze populaire draadloze oortelefoons voegen snel meer functies toe (ruisonderdrukking, slaap en gezondheidsmonitoring) om hun producten te onderscheiden, maar het toevoegen van al deze functies kan moeilijk zijn vanuit een ontwerptechnisch oogpunt. In dit artikel zal ik deze uitdagingen bespreken.
Uitdaging 1: Minimaliseer stroomverlies door efficiënt opladen
Een grote uitdaging bij draadloze oortelefoons is het bereiken van een langere totale afspeeltijd wanneer de oordopjes in het batterijcompartiment volledig zijn opgeladen. In dit geval vertaalt een langere totale speeltijd zich in het aantal cycli dat een case de oordopjes gedurende hun hele levensduur kan opladen. Het doel is om efficiënt opladen mogelijk te maken en tegelijkertijd het stroomverbruik van de oplaadcassette tot de oordopjes te minimaliseren.
De oplaadcassette voert een spanning uit van de batterij als invoer om de oordopjes op te laden. De typische oplossing is een boost-converter met een vaste 5V-uitgang, wat een eenvoudige oplossing is, maar de laadefficiëntie niet optimaliseert. Omdat de batterijen van oordopjes zo klein zijn, gebruiken ontwerpers vaak lineaire opladers. Bij gebruik van een vaste 5V-ingang is de oplaadefficiëntie erg laag - ongeveer (V in - 5 vleermuizen) / 5 in - en veroorzaakt een grote spanningsval op de batterij. Sluit een gemiddelde Li-Ion batterijspanning van 3,6 V aan (half ontladen) en de ingang van 5 V is slechts 72 procent efficiënt.
Omgekeerd produceert het gebruik van een instelbare output-boost of buck-boost-converter in de oplaadcassette een spanning die slechts iets boven het typische spanningsbereik van oordopjes ligt. Dit vereist communicatie van de oplaadcassette naar de oordopjes, waardoor de uitgangsspanning van de oplaadcassette zich dynamisch kan aanpassen aan de batterij van de oordopjes naarmate de spanning toeneemt. Dit minimaliseert verliezen, verhoogt de laadefficiëntie en vermindert de warmte aanzienlijk.
Uitdaging 2: De totale oplossing verkleinen zonder functionaliteit te verwijderen
De tweede uitdaging is de algemene uitdaging van het ontwerp van kleine batterijen - hoe een batterij te ontwerpen die zowel klein van formaat is als groot in functie. De eenvoudige oplossing hier is om een apparaat te kiezen met meer geïntegreerde componenten. Bijv.:
Een krachtige lineaire oplader die extra stroomrails integreert om het hoofdsysteemblok van stroom te voorzien en is een goede keuze voor draadloze hoofdtelefoons.
Voor energieverslindende laagspanningsmodules zoals processors en draadloze communicatiemodules zijn swaprails de beste keuze voor efficiëntie.
Voor sensorblokken die niet veel stroom nodig hebben, maar wel een laag geluidsniveau nodig hebben, overweeg dan om een low drop-out regelaar te gebruiken.
Als uw draadloze hoofdtelefoon analoge front-end sensoren heeft om de bloedzuurstof en hartslag te meten, heeft u mogelijk ook een boost-converter nodig.
Integreer extra stroomrails in de oplader om de vormfactor kleiner te maken. Er is echter altijd een afweging tussen meer integreren voor kleinere afmetingen en het gebruik van meer discrete geïntegreerde schakelingen (IC's) voor flexibiliteit.
Uitdaging 3: Verleng de standby-tijd
Stand-bytijd is belangrijk omdat consumenten verwachten dat hoofdtelefoons muziek kunnen afspelen, zelfs na lange perioden van inactiviteit buiten de oplaadcassette. Overweeg het gebruik van lithium-ionbatterijen met een hogere energiedichtheid in oordopjes, die doorgaans hogere spanningen hebben, zoals 4,35 volt en 4,4 volt, zodat er meer energie kan worden opgeslagen. Een volledige lading verhoogt ook de standby-tijd. Een batterijlader met een kleine afsluitstroom en hoge nauwkeurigheid helpt de standby-tijd te verlengen. Als er een grote verandering is in de specificatie van de afsluitstroom, kan het zijn dat u een hogere afsluitstroom krijgt, wat kan leiden tot voortijdige beëindiging en een bijna lege batterij.
Een 41mAh-batterij afgesloten op 1mAh versus 4mAh. Als de nominale afsluitstroom van 1 mA sterk varieert en daadwerkelijk eindigt bij 4 mA, blijft de batterijcapaciteit van 2 mAh onbenut. Lagere afsluitstroom en hogere nauwkeurigheid verhogen de effectieve batterijcapaciteit.
Lage ruststroom (IQ) is ook belangrijk om de standby-tijd in verschillende bedrijfsmodi te verlengen. Een oplaad-IC met een stroompad en bijna nul scheepsstroom zal voorkomen dat de batterij leeg raakt voordat het product de consument bereikt, waardoor onmiddellijk gebruik mogelijk is. Het stroompad vereist het plaatsen van metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistoren tussen de batterij en het systeem om respectievelijk het systeem en de batterijpaden te beheren.
Wanneer de oordopjes muziek afspelen of inactief zijn, moet het stroomverbruik van het systeem zo laag mogelijk zijn. Het vinden van een oplader met een lage I minimaliseer ook de I van het systeem. Batterijladers hebben bijvoorbeeld vaak een weerstandsnetwerk met negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) nodig om de batterijtemperatuur te meten.
Sommige oplossingen op de markt kunnen de NTC-stroom niet uitschakelen wanneer ze in batterijmodus werken. Ze lekken ofwel te veel (lekkage kan meer dan 200µ bedragen wanneer het NTC-netwerk 20 kΩ heeft) of vereisen extra I/O en zetten deze uit met een schakelaar.
Uitdaging 4: Beveiligingsontwerp
Fabrikanten van accu's hebben vaak richtlijnen voor het opladen van accu's bij verschillende temperaturen, en accu's moeten tijdens gebruik binnen deze veilige werkgebieden blijven. Sommige vereisen een standaardprofiel waarbij het opladen stopt buiten de grens van warme en koude temperaturen. Andere bedrijven kunnen bijvoorbeeld specifieke informatie nodig hebben van de Japan Electronics and Information Technology Association. Om aan deze temperatuurprofielen te voldoen, zoekt u naar een profiel met de nodige ingebouwde of enige I twoC-programmeerbaarheid. De BQ21061 en BQ25155 hebben registers om het temperatuurvenster in te stellen en acties die moeten worden ondernomen binnen een specifiek temperatuurbereik.
Battery Undervoltage Lockout (UVLO) is een andere veiligheidsfunctie die voorkomt dat de batterij overmatig wordt ontladen en dus wordt belast. Zodra de batterijspanning onder een bepaalde drempel komt, onderbreekt UVLO het ontladingspad. Voor een Li-Ion-batterij die is opgeladen met 4,2 V, is een gebruikelijke uitschakeldrempel bijvoorbeeld 2,8 V tot 3 V.
Uitdaging 5: Systeembetrouwbaarheid waarborgen
Lage systeembetrouwbaarheid zorgde ervoor dat sommige microprocessors vast kwamen te zitten wanneer de gebruiker de adapter inplugde. Hoewel dit zeldzaam is, is een reset van de systeemvoeding vereist, zodat de microprocessor opnieuw kan opstarten en weer normaal kan worden. Sommige batterijladers integreren hardware-reset watchdog-timer die een hardware-reset of power cycle uitvoert (indien niet) twee C-transacties worden gedetecteerd ergens nadat de adapter door de gebruiker is aangesloten. Na een systeemreset wordt het stroompad losgekoppeld en opnieuw aangesloten op de batterij en het systeem.
Net als de hardware-reset watchdog-timer, helpt de traditionele software-watchdog-timer ook om de systeembetrouwbaarheid te verbeteren door het laderregister terug te zetten naar de standaardwaarde na een periode van geen transacties in de twoC. Deze reset voorkomt dat de batterij verkeerd wordt opgeladen wanneer de microprocessor zich in een defecte toestand bevindt.
Uitdaging 6: Bewaak de beste operationele gebieden
De zesde uitdaging is het bewaken van systeemparameters, wat efficiënt kan worden bereikt door een ingebouwde, zeer nauwkeurige analoog-naar-digitaalomzetter (ADC). Het meten van de accuspanning is een goede parameter omdat het een handige, zij het bij benadering, weergave is van de laadtoestand van de accu. Als vuistregel geldt: als de oplaadstatus van de draadloze headset hoger is dan ±5 procent .
De zeer nauwkeurige ingebouwde ADC stelt u ook in staat om de temperatuur van de batterij en het bord tijdens het opladen en ontladen te bewaken en actie te ondernemen. Andere parameters die de lader kan bewaken zijn onder meer ingangsspanning/stroom, laadspanning/stroom en systeemspanning. De ingebouwde comparator helpt ook handig bij het bewaken van specifieke parameters en het verzenden van interrupts naar de host. Als de parameter binnen het normale bereik ligt en de comparator niet wordt geactiveerd, hoeft de host de betreffende parameter niet constant te lezen. De BQ25155 is een goed voorbeeld om systeemparameters te bewaken, omdat deze een ADC en comparator heeft.
Uitdaging 7: vereenvoudig draadloze connectiviteit
Sommige draadloze oortelefoons hebben een functie die de oplaadstatus van de oortelefoons en het oplaaddoosje op de smartphone weergeeft wanneer de oortelefoons in het oplaaddoosje zitten en het deksel open is. Om dit te ondersteunen, moeten de oortelefoons de laadstatus melden zodra ze in het hoesje worden gestoken, zelfs als de batterij leeg is. De hoofdchip moet wakker zijn om de oplaadstatus te melden, dus in dit geval moet de externe voedingsbron de oordopjes van stroom voorzien. Een lader met een stroompad zorgt ervoor dat het systeem een hogere spanning van de VBU kan krijgen terwijl de batterij met een lagere spanning wordt opgeladen.
Verschillende functies van de draadloze hoofdtelefoonoplader (zoals verzendmodus, systeemstroomreset, batterij-UVLO, nauwkeurige eindstroom en onmiddellijke oplaadstatusrapportage) zijn niet mogelijk zonder de stroompadcapaciteit, waarvoor zowel de batterij als het systeem moeten worden geplaatst. Een MOSFET moet worden geplaatst daartussenin om het systeem en de batterijpaden afzonderlijk te beheren. Afbeelding 5 illustreert de oplader met en zonder stroompad.
Schakelende en lineaire opladers zijn te zien in het ontwerp van de oplaadkoffer, afhankelijk van de batterijgrootte en oplaadsnelheid. Schakelende laders zijn efficiënter en genereren minder warmte, wat belangrijk is bij hoge stromen van 700mA en hoger. Wisselende opladers worden meestal geleverd met een geïntegreerde boost- of volgfunctie die de batterijspanning verhoogt en de ingangsspanning levert voor het opladen van de oordopjes. Lineaire opladers zijn ook een goede keuze voor batterijboxen met een laag stroomniveau, omdat ze lage kosten en een laag IQ bieden.
Oplaadbare hoortoestellen bieden vergelijkbare ontwerpuitdagingen. Ze zijn meestal kleiner dan oordopjes, zodat ze onzichtbaar zijn en vereisen daarom meer stroomintegratie in een kleiner gebied. Ze vereisen ook geluidsarme stroomrails, inclusief een geschakelde condensatortopologie, voor superieure audiohelderheid.