Wie entwerfe ich einen Lade-Pogo-Pin für TWS-Ohrhörer?
Das drahtlose TWS-Bluetooth-Headset ist eines der intelligenten tragbaren Produkte, das in den letzten Jahren von Männern, Frauen und Kindern bevorzugt wurde. Es ist klein und exquisit, leicht aufzuladen und hat verschiedene Formen. Es kann aufgeladen werden, indem es in das Ladefach gelegt wird. Eine der Kernkomponenten im Ladefach des TWS-Bluetooth-Headsets ist der Pogopin-Pogo-Pin. TWS-Ohrhörer können durch Kontakt zwischen dem weiblichen Ende des Pogo-Stifts und dem männlichen Ende im Ladefach aufgeladen werden. 80 Prozent der Marken auf dem Markt entscheiden sich für den Pogo-Pin.
Die TWS-Headset-Ladebox ist ein ideales kabelloses Ladeszenario mit geringem Stromverbrauch. Das kabellose TWS-Bluetooth-Headset, das kabelloses Laden unterstützt, verfügt über ein integriertes Empfangsmodul für kabelloses Laden in der Ladebox, das zum Aufladen wie ein kabellos aufladbares Mobiltelefon auf das kabellose Ladegerät gelegt werden kann, wodurch kabelloses Aufladen realisiert wird. Die "wirklich kabellose" Funktion von Bluetooth plus kabelloses Aufladen bietet ein besseres Benutzererlebnis und gilt als die ultimative Form des echten kabellosen Bluetooth-Headsets von TWS.
Jetzt werden TWS-Ohrhörer im Design des Kopfhörerkopfs grob in Semi-In-Ear-Typen mit langen Griffen und Bohnensprossenformen vom Cochlear-Typ unterteilt. Die Form von Kopfhörern ist relativ begrenzt, daher ist das Design des Ladens und Ladens zu einem Durchbruch geworden. Das Bild stimmt Das Ladefach hat eine kleine Innovation erfahren, die durch ein zweifarbiges Spritzgussverfahren, ein dunkles und transparentes Erscheinungsbild und ein internes Texturdesign sowie mit der Leistungsanzeige ein hochwertiges Hightech-Gefühl erzeugt!
Wie überwindet man sieben Design-Herausforderungen von TWS-Kopfhörern?
Hier sind einige Tipps zur Lösung einiger der schwierigsten Herausforderungen im TWS-Kopfhörerdesign, von der Minimierung des Leistungsverlusts bis zur Verlängerung der Standby-Zeit.
Seit der Veröffentlichung der Apple AirPods im Jahr 2016 ist der Markt für True Wireless Stereo (TWS) jährlich um mehr als 50 Prozent gewachsen. Die Hersteller dieser beliebten drahtlosen Kopfhörer fügen schnell weitere Funktionen hinzu (Geräuschunterdrückung, Schlaf- und Gesundheitsüberwachung), um ihre Produkte zu differenzieren, aber das Hinzufügen all dieser Funktionen kann aus konstruktionstechnischer Sicht schwierig sein. In diesem Artikel gehe ich auf diese Herausforderungen ein.
Herausforderung 1: Minimieren Sie den Leistungsverlust durch effizientes Laden
Eine große Herausforderung bei drahtlosen Ohrhörern ist das Erreichen einer längeren Gesamtwiedergabezeit, wenn die Ohrhörer im Batteriefach voll aufgeladen sind. In diesem Fall bedeutet eine längere Gesamtspielzeit die Anzahl der Zyklen, mit denen ein Etui die Ohrhörer über ihre gesamte Lebensdauer aufladen kann. Ziel ist es, ein effizientes Laden zu ermöglichen und gleichzeitig den Stromverbrauch vom Ladecase bis zu den Ohrhörern zu minimieren.
Das Ladeetui gibt eine Spannung von der Batterie als Eingabe aus, um die Ohrhörer aufzuladen. Die typische Lösung ist ein Aufwärtswandler mit einem festen 5-V-Ausgang, was eine einfache Lösung ist, aber die Ladeeffizienz nicht optimiert. Da die Akkus der Ohrhörer so klein sind, verwenden Designer oft lineare Ladegeräte. Bei Verwendung eines festen 5-V-Eingangs ist die Ladeeffizienz sehr gering – etwa (V in - 5 Fledermäuse) / 5 in – und erzeugt einen großen Spannungsabfall an der Batterie. Schließen Sie eine durchschnittliche Li-Ion-Batteriespannung von 3,6 V (halb entladen) an und der 5-V-Eingang hat nur einen Wirkungsgrad von 72 Prozent.
Umgekehrt erzeugt die Verwendung eines Boost- oder Buck-Boost-Wandlers mit einstellbarem Ausgang im Ladegehäuse eine Spannung, die nur geringfügig über dem typischen Spannungsbereich von Ohrhörern liegt. Dies erfordert eine Kommunikation vom Ladeetui zu den Ohrhörern, wodurch sich die Ausgangsspannung des Ladeetuis dynamisch an den Akku der Ohrhörer anpassen kann, wenn die Spannung ansteigt. Dies minimiert Verluste, erhöht die Ladeeffizienz und reduziert die Wärme erheblich.
Herausforderung 2: Skalieren Sie die Gesamtlösung herunter, ohne Funktionalität zu entfernen
Die zweite Herausforderung ist die allgemeine Herausforderung des kleinen Batteriedesigns – wie man eine Batterie entwirft, die sowohl klein in der Größe als auch groß in der Funktion ist. Die einfache Lösung besteht hier darin, ein Gerät mit mehr integrierten Komponenten zu wählen. Z.B:
Ein leistungsstarkes lineares Ladegerät, das zusätzliche Stromschienen integriert, um den Hauptsystemblock mit Strom zu versorgen, und eine gute Wahl für drahtlose Kopfhörer ist.
Für stromhungrige Niederspannungsmodule wie Prozessoren und drahtlose Kommunikationsmodule sind Wechselschienen die beste Wahl für Effizienz.
Für Sensorblöcke, die nicht viel Strom, aber wenig Rauschen benötigen, sollten Sie die Verwendung eines Low-Dropout-Reglers in Betracht ziehen.
Wenn Ihre drahtlosen Kopfhörer analoge Front-End-Sensoren zur Messung von Blutsauerstoff und Herzfrequenz integrieren, benötigen Sie möglicherweise auch einen Aufwärtswandler.
Integrieren Sie zusätzliche Stromschienen in das Ladegerät, um seinen Formfaktor zu verkleinern. Es gibt jedoch immer einen Kompromiss zwischen der Integration von mehr für kleinere Größen und der Verwendung diskreterer integrierter Schaltungen (ICs) für Flexibilität.
Herausforderung 3: Standby-Zeit verlängern
Die Standby-Zeit ist wichtig, da Verbraucher erwarten, dass Kopfhörer auch nach längerer Inaktivität außerhalb des Ladecases Musik abspielen. Erwägen Sie die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien mit höherer Energiedichte in Ohrhörern, die normalerweise höhere Spannungen haben, z. B. 4,35 Volt und 4,4 Volt, damit mehr Energie gespeichert werden kann. Eine vollständige Aufladung verlängert auch die Standby-Zeit. Ein Batterieladegerät mit geringem Abschlussstrom und hoher Genauigkeit trägt zur Verlängerung der Standby-Zeit bei. Wenn sich die Spezifikation des Abschlussstroms stark ändert, erhalten Sie möglicherweise einen höheren Abschlussstrom, was zu einer vorzeitigen Beendigung und einer schwachen Batterie führen kann.
Ein 41-mAh-Akku endete bei 1 mAh gegenüber 4 mAh. Wenn der nominelle 1-mA-Abschlussstrom stark variiert und tatsächlich bei 4 mA endet, bleiben die 2-mAh-Batteriekapazität ungenutzt. Niedrigerer Abschlussstrom und höhere Genauigkeit erhöhen die effektive Batteriekapazität.
Ein niedriger Ruhestrom (IQ) ist auch wichtig, um die Standby-Zeit in verschiedenen Betriebsmodi zu verlängern. Ein Lade-IC mit Strompfad und Schiffsmodusstrom von nahezu Null verhindert, dass sich die Batterie entlädt, bevor das Produkt den Verbraucher erreicht, und ermöglicht eine sofortige Verwendung. Der Strompfad erfordert das Platzieren von Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren zwischen der Batterie und dem System, um die System- bzw. Batteriepfade zu verwalten.
Wenn die Ohrhörer Musik abspielen oder im Leerlauf sind, muss der Stromverbrauch des Systems so gering wie möglich sein. Das Finden eines Ladegeräts mit niedrigem I minimiert auch das I des Systems. Beispielsweise benötigen Batterieladegeräte häufig ein Widerstandsnetzwerk mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC), um die Batterietemperatur zu messen.
Einige Lösungen auf dem Markt können den NTC-Strom im Batteriebetrieb nicht abschalten. Sie lecken entweder zu stark (die Leckage kann 200 µ überschreiten, wenn das NTC-Netzwerk 20 kΩ hat) oder sie erfordern zusätzliche E/A und schalten sie mit einem Schalter aus.
Herausforderung 4: Sicherheitsdesign
Hersteller von Akkupacks haben oft Richtlinien zum Laden von Akkus bei unterschiedlichen Temperaturen, und Akkus müssen während des Gebrauchs innerhalb dieser sicheren Betriebsbereiche bleiben. Einige erfordern ein Standardprofil, bei dem der Ladevorgang außerhalb der Grenze zwischen heißer und kalter Temperatur stoppt. Beispielsweise benötigen andere Unternehmen möglicherweise spezifische Informationen von der Japan Electronics and Information Technology Association. Um diese Temperaturprofile einzuhalten, suchen Sie nach einem Profil mit der erforderlichen eingebauten oder etwas I2C-Programmierbarkeit. Die BQ21061 und BQ25155 verfügen über Register zum Einstellen des Temperaturfensters und der Aktionen, die innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs durchgeführt werden sollen.
Die Batterie-Unterspannungssperre (UVLO) ist eine weitere Sicherheitsfunktion, die verhindert, dass die Batterie zu stark entladen und damit belastet wird. Sobald die Batteriespannung unter einen bestimmten Schwellenwert fällt, unterbricht UVLO den Entladungspfad. Beispielsweise liegt für eine mit 4,2 V geladene Li-Ion-Batterie eine übliche Abschaltschwelle bei 2,8 V bis 3 V.
Herausforderung 5: Gewährleistung der Systemzuverlässigkeit
Eine geringe Systemzuverlässigkeit führte dazu, dass einige Mikroprozessoren hängen blieben, wenn der Benutzer den Adapter einsteckte. Obwohl dies selten vorkommt, erfordert es einen Neustart des Systems, damit der Mikroprozessor neu starten und zum Normalzustand zurückkehren kann. Einige Batterieladegeräte integrieren einen Hardware-Reset-Watchdog-Timer, der einen Hardware-Reset oder Power-Cycle (falls nicht) durchführt, zwei C-Transaktionen werden irgendwann erkannt, nachdem der Adapter vom Benutzer angeschlossen wurde. Nach einem System-Reset wird der Strompfad getrennt und wieder mit der Batterie und dem System verbunden.
Ähnlich wie der Hardware-Reset-Watchdog-Timer trägt auch der herkömmliche Software-Watchdog-Timer zur Verbesserung der Systemzuverlässigkeit bei, indem er das Laderegister nach einer Periode ohne Transaktionen in den beiden C auf seinen Standardwert zurücksetzt. Dieses Zurücksetzen verhindert, dass die Batterie falsch geladen wird, wenn der Mikroprozessor in einem fehlerhaften Zustand ist.
Herausforderung 6: Überwachen Sie die besten Betriebsbereiche
Die sechste Herausforderung besteht in der Überwachung von Systemparametern, die durch einen integrierten hochpräzisen Analog-Digital-Wandler (ADC) effizient erreicht werden kann. Die Messung der Batteriespannung ist ein guter Parameter, da sie eine bequeme, wenn auch ungefähre Darstellung des Ladezustands der Batterie liefert. Als Faustregel gilt, wenn der vom kabellosen Headset benötigte Ladezustand höher als ±5 Prozent ist .
Der integrierte ADC mit hoher Genauigkeit ermöglicht es Ihnen auch, die Batterie- und Platinentemperatur während des Ladens und Entladens zu überwachen und entsprechende Maßnahmen zu ergreifen. Andere Parameter, die das Ladegerät überwachen kann, umfassen Eingangsspannung/-strom, Ladespannung/-strom und Systemspannung. Der eingebaute Komparator hilft auch bei der bequemen Überwachung bestimmter Parameter und beim Senden von Interrupts an den Host. Wenn der Parameter innerhalb des normalen Bereichs liegt und der Komparator nicht ausgelöst wird, muss der Host den interessierenden Parameter nicht ständig lesen. Der BQ25155 ist ein gutes Beispiel für die Überwachung von Systemparametern, da er über einen ADC und Komparator verfügt.
Herausforderung 7: Vereinfachen Sie die drahtlose Konnektivität
Einige kabellose Ohrhörer verfügen über eine Funktion, die den Ladestatus der Ohrhörer und des Ladeetuis auf dem Smartphone anzeigt, wenn sich die Ohrhörer im Ladeetui befinden und der Deckel geöffnet ist. Um dies zu unterstützen, müssen die Ohrhörer den Ladezustand melden, sobald sie in das Case gesteckt werden, auch wenn der Akku leer ist. Der Hauptchip muss wach sein, um den Ladezustand zu melden, also muss in diesem Fall die externe Stromquelle die Ohrhörer mit Strom versorgen. Ein Ladegerät mit Strompfad ermöglicht es dem System, eine höhere Spannung von der VBU zu erhalten, während die Batterie mit einer niedrigeren Spannung geladen wird.
Mehrere Funktionen des drahtlosen Kopfhörerladegeräts (wie z. B. Schiffsmodus, Zurücksetzen der Systemleistung, Batterie-UVLO, genauer Anschlussstrom und sofortige Meldung des Ladestatus) sind ohne die Leistungspfadfähigkeit nicht möglich, für die sowohl die Batterie als auch der System-A-MOSFET platziert werden müssen dazwischen, um das System und die Batteriepfade separat zu verwalten. Abbildung 5 zeigt das Ladegerät mit und ohne Strompfad.
Je nach Akkugröße und Laderate sind im Design des Ladekoffers Schalt- und Linearlader zu sehen. Schaltladegeräte sind effizienter und erzeugen weniger Wärme, was bei hohen Strömen von 700mA und mehr wichtig ist. Schaltladegeräte verfügen in der Regel über eine integrierte Boost- oder Follow-Funktion, die die Akkuspannung erhöht und die Eingangsspannung zum Laden der Ohrhörer bereitstellt. Lineare Ladegeräte sind auch eine gute Wahl für Batterieboxen mit niedrigem Stromniveau, da sie niedrige Kosten und einen niedrigen IQ bieten.
Wiederaufladbare Hörgeräte stellen ähnliche Designherausforderungen. Sie sind normalerweise kleiner als Ohrstöpsel, so dass sie unsichtbar sind und daher mehr Energieintegration auf kleinerem Raum erfordern. Sie benötigen außerdem rauscharme Stromschienen, einschließlich einer Topologie mit geschalteten Kondensatoren, um eine überragende Audioklarheit zu erzielen.