Come progettare un pin Pogo di ricarica per auricolari TWS?
L'auricolare Bluetooth wireless TWS è uno dei prodotti indossabili intelligenti preferiti da uomini, donne e bambini negli ultimi anni. È piccolo e raffinato, facile da caricare e ha forme diverse. Si ricarica inserendolo nel vano di ricarica. Uno dei componenti principali del vano di ricarica dell'auricolare Bluetooth TWS è il pogo pin pogopin. Gli auricolari TWS possono essere caricati attraverso il contatto tra l'estremità femmina del pogo pin e l'estremità maschio nel vano di ricarica. L'80 percento dei marchi sul mercato sceglie di utilizzare il pogo pin.
La scatola di ricarica per cuffie TWS è uno scenario di ricarica wireless ideale a bassa potenza. L'auricolare Bluetooth wireless TWS che supporta la ricarica wireless ha un modulo di ricezione della ricarica wireless integrato nella scatola di ricarica, che può essere posizionato sul caricabatterie wireless per la ricarica come un telefono cellulare con ricarica wireless, realizzando la ricarica wireless. La funzione "veramente wireless" di Bluetooth più la ricarica wireless offre una migliore esperienza utente ed è considerata la forma definitiva di auricolare Bluetooth true wireless TWS.
Ora gli auricolari TWS sono più o meno suddivisi in tipi semi-in-ear con manici lunghi e forme a germoglio di fagioli di tipo cocleare nel design della testa delle cuffie. La forma degli auricolari è relativamente limitata, quindi il design della ricarica e della ricarica è diventato un punto di svolta. L'immagine è giusta Il vano di ricarica ha apportato una piccola innovazione, utilizzando un processo di stampaggio a iniezione a due colori, un aspetto scuro e trasparente e un design della trama interna e con il display di alimentazione, creando una sensazione high-tech di alta qualità!
Come superare sette sfide di progettazione delle cuffie TWS?
Ecco alcuni suggerimenti per risolvere alcune delle sfide più difficili nella progettazione delle cuffie TWS, dalla riduzione al minimo della perdita di alimentazione all'estensione del tempo di standby.
Dal rilascio di Apple AirPods nel 2016, il mercato del vero wireless stereo (TWS) è cresciuto di oltre il 50% all'anno. I produttori di questi popolari auricolari wireless stanno aggiungendo rapidamente più funzionalità (cancellazione del rumore, sonno e monitoraggio della salute) per differenziare i loro prodotti, ma l'aggiunta di tutte queste funzionalità può essere difficile da un punto di vista ingegneristico. In questo articolo, esaminerò queste sfide.
Sfida 1: ridurre al minimo la perdita di potenza grazie a una ricarica efficiente
Una sfida importante con gli auricolari wireless è ottenere un tempo di riproduzione totale più lungo quando gli auricolari nel vano batteria sono completamente carichi. In questo caso, un tempo di riproduzione totale più lungo si traduce nel numero di cicli che una custodia può caricare gli auricolari per tutta la loro vita. L'obiettivo è consentire una ricarica efficiente riducendo al minimo il consumo di energia dalla custodia di ricarica agli auricolari.
La custodia di ricarica emette una tensione dalla batteria come ingresso per caricare gli auricolari. La soluzione tipica è un convertitore boost con uscita fissa a 5V, che è una soluzione semplice ma non ottimizza l'efficienza di carica. Poiché le batterie degli auricolari sono così piccole, i designer utilizzano spesso caricatori lineari. Quando si utilizza un ingresso fisso da 5 V, l'efficienza di carica è molto bassa - circa (V in - 5 pipistrelli) / 5 pollici - e produce una forte caduta di tensione sulla batteria. Collega una tensione media della batteria agli ioni di litio da 3,6 V (scarica a metà) e l'ingresso da 5 V è efficiente solo per il 72%.
Al contrario, l'utilizzo di un convertitore boost o buck-boost con uscita regolabile nella custodia di ricarica produce una tensione solo leggermente superiore alla gamma di tensione tipica degli auricolari. Ciò richiede la comunicazione dalla custodia di ricarica agli auricolari, che consente alla tensione di uscita della custodia di ricarica di adattarsi dinamicamente alla batteria degli auricolari all'aumentare della tensione. Ciò ridurrà al minimo le perdite, aumenterà l'efficienza di carica e ridurrà significativamente il calore.
Sfida 2: ridimensionare la soluzione complessiva senza rimuovere la funzionalità
La seconda sfida è la sfida generale della progettazione di batterie di piccole dimensioni: come progettare una batteria che sia sia di piccole dimensioni che di grandi dimensioni nella funzione. La soluzione semplice qui è scegliere un dispositivo con più componenti integrati. Per esempio:
Un caricabatterie lineare ad alte prestazioni che integra ulteriori binari di alimentazione per alimentare il blocco di sistema principale ed è una buona scelta per le cuffie wireless.
Per i moduli a bassa tensione e assetati di energia come processori e moduli di comunicazione wireless, le guide di scambio sono la scelta migliore per l'efficienza.
Per i blocchi sensore che non richiedono molta potenza ma necessitano di bassa rumorosità, prendere in considerazione l'utilizzo di un regolatore a bassa caduta di tensione.
Se le tue cuffie wireless integrano sensori front-end analogici per misurare l'ossigeno nel sangue e la frequenza cardiaca, potresti anche aver bisogno di un convertitore boost.
Integra ulteriori binari di alimentazione nel caricabatterie per ridurne il fattore di forma. Tuttavia, c'è sempre un compromesso tra l'integrazione di più per dimensioni più piccole e l'utilizzo di circuiti integrati (CI) più discreti per la flessibilità.
Sfida 3: estendere il tempo di attesa
Il tempo di standby è importante perché i consumatori si aspettano che le cuffie riproducano musica anche dopo lunghi periodi di inattività al di fuori della custodia di ricarica. Prendi in considerazione l'utilizzo di batterie agli ioni di litio a maggiore densità di energia negli auricolari, che in genere hanno tensioni più elevate, come 4,35 volt e 4,4 volt, in modo da poter immagazzinare più energia. Una carica completa aumenta anche il tempo di standby. Un caricabatteria con una piccola corrente di terminazione e un'elevata precisione contribuirà a prolungare il tempo di standby. Se c'è un grande cambiamento nelle specifiche della corrente di terminazione, potresti ritrovarti con una corrente di terminazione più alta, che può portare a una terminazione prematura e a una batteria scarica.
Una batteria da 41 mAh terminava a 1 mAh contro 4 mAh. Se la corrente di terminazione nominale di 1 mA varia ampiamente e termina effettivamente a 4 mA, la capacità della batteria di 2 mAh non verrà sfruttata. Una corrente di terminazione inferiore e una maggiore precisione aumentano la capacità effettiva della batteria.
Anche la bassa corrente di riposo (IQ) è importante per prolungare il tempo di standby in diverse modalità operative. Un circuito integrato di ricarica con un percorso di alimentazione e una corrente in modalità nave quasi zero impedirà alla batteria di scaricarsi prima che il prodotto raggiunga il consumatore, consentendo un utilizzo immediato. Il percorso di alimentazione richiede il posizionamento di transistor a effetto di campo a semiconduttore di ossido di metallo tra la batteria e il sistema per gestire rispettivamente i percorsi del sistema e della batteria.
Quando gli auricolari stanno riproducendo musica o sono al minimo, il consumo di corrente del sistema deve essere il più ridotto possibile. Trovando un caricatore con basso riduco al minimo anche l'I del sistema. Ad esempio, i caricabatteria spesso richiedono una rete di resistori a coefficiente di temperatura negativo (NTC) per misurare la temperatura della batteria.
Alcune soluzioni in commercio non possono disattivare la corrente NTC quando si lavora in modalità batteria. Perdono troppo (la perdita può superare i 200µ quando la rete NTC ha 20 kΩ) o richiedono I/O extra e si spengono con un interruttore.
Sfida 4: progettazione della sicurezza
I produttori di pacchi batteria spesso hanno linee guida per caricare le batterie a temperature diverse e le batterie devono rimanere all'interno di queste aree operative sicure durante l'uso. Alcuni richiedono un profilo standard in cui la ricarica si interrompe al di fuori del limite di temperatura calda e fredda. Ad esempio, altre società potrebbero richiedere informazioni specifiche alla Japan Electronics and Information Technology Association. Per rispettare questi profili di temperatura, cercare un profilo con la necessaria programmabilità integrata o con una certa I dueC. Il BQ21061 e il BQ25155 dispongono di registri per impostare la finestra di temperatura e le azioni da intraprendere all'interno di un intervallo di temperatura specifico.
Il blocco della sottotensione della batteria (UVLO) è un'altra caratteristica di sicurezza che impedisce la scarica eccessiva della batteria e quindi lo stress. Quando la tensione della batteria scende al di sotto di una certa soglia, UVLO interrompe il percorso di scarica. Ad esempio, per una batteria agli ioni di litio caricata a 4,2 V, una soglia di interruzione comune è compresa tra 2,8 V e 3 V.
Sfida 5: garantire l'affidabilità del sistema
La bassa affidabilità del sistema ha causato il blocco di alcuni microprocessori quando l'utente ha collegato l'adattatore. Sebbene ciò sia raro, richiede un ripristino dell'alimentazione del sistema in modo che il microprocessore possa riavviarsi e tornare alla normalità. Alcuni caricabatterie integrano un timer watchdog di ripristino hardware che esegue un ripristino hardware o un ciclo di alimentazione (in caso contrario) vengono rilevate due transazioni C qualche tempo dopo che l'adattatore è stato collegato dall'utente. Dopo un ripristino del sistema, il percorso di alimentazione viene disconnesso e ricollegato alla batteria e al sistema.
Simile al timer di controllo del ripristino hardware, il tradizionale timer di controllo del software aiuta anche a migliorare l'affidabilità del sistema ripristinando il registro del caricatore al suo valore predefinito dopo un periodo di assenza di transazioni nel twoC. Questo ripristino impedisce che la batteria venga caricata in modo errato quando il microprocessore è in uno stato di guasto.
Sfida 6: monitorare le migliori aree operative
La sesta sfida è monitorare i parametri del sistema, che possono essere raggiunti in modo efficiente da un convertitore analogico-digitale (ADC) integrato ad alta precisione. La misurazione della tensione della batteria è un buon parametro perché fornisce una rappresentazione comoda, anche se approssimativa, dello stato di carica della batteria. Come regola generale, se lo stato di carica richiesto dall'auricolare wireless è superiore a ±5 percento .
L'ADC integrato ad alta precisione consente inoltre di monitorare e agire sulla temperatura della batteria e della scheda durante la carica e la scarica. Altri parametri che il caricabatterie può monitorare includono tensione/corrente di ingresso, tensione/corrente di carica e tensione di sistema. Il comparatore integrato aiuta anche a monitorare parametri specifici e inviare interruzioni all'host. Se il parametro rientra nell'intervallo normale e il comparatore non viene attivato, l'host non deve leggere costantemente il parametro di interesse. Il BQ25155 è un buon esempio per monitorare i parametri di sistema in quanto dispone di un ADC e di un comparatore.
Sfida 7: semplificare la connettività wireless
Alcuni auricolari wireless hanno una funzione che mostra lo stato di carica degli auricolari e della custodia di ricarica sullo smartphone quando gli auricolari sono nella custodia di ricarica e il coperchio è aperto. Per supportare ciò, gli auricolari devono segnalare lo stato di carica non appena vengono inseriti nella custodia, anche se la batteria è scarica. Il chip principale deve essere attivo per segnalare lo stato di carica, quindi in questo caso la fonte di alimentazione esterna deve alimentare gli auricolari. Un caricabatterie con un percorso di alimentazione consente al sistema di ottenere una tensione maggiore dalla VBU mentre carica la batteria a una tensione inferiore.
Diverse funzioni del caricabatterie wireless per cuffie (come la modalità di spedizione, il ripristino dell'alimentazione del sistema, la batteria UVLO, la corrente del terminale accurata e la segnalazione istantanea dello stato di carica) non sono possibili senza la capacità del percorso di alimentazione, che richiede il posizionamento sia della batteria che del sistema A MOSFET in mezzo per gestire il sistema e i percorsi della batteria separatamente. La Figura 5 illustra il caricabatterie con e senza un percorso di alimentazione.
I caricatori a commutazione e lineari possono essere visti nel design della custodia di ricarica a seconda delle dimensioni della batteria e della velocità di ricarica. I caricabatterie a commutazione sono più efficienti e generano meno calore, il che è importante per correnti elevate di 700 mA e oltre. I caricabatterie a commutazione di solito sono dotati di una funzione boost o follow integrata che aumenta la tensione della batteria e fornisce la tensione di ingresso per caricare gli auricolari. I caricatori lineari sono anche una buona scelta per scatole batteria a basso livello di corrente in quanto offrono basso costo e basso QI.
Gli apparecchi acustici ricaricabili presentano sfide di progettazione simili. Di solito sono più piccoli degli auricolari, quindi sono invisibili e richiedono quindi una maggiore integrazione di alimentazione in un'area più piccola. Richiedono inoltre binari di alimentazione a basso rumore, inclusa una topologia a condensatore commutato, per una chiarezza audio superiore.