【導(dǎo)讀】真無線耳機(jī)常常使用3個(或更多)引腳與其充電盒連接，用于傳輸數(shù)據(jù)和電源。額外的引腳則需要更大的空間，同時也會導(dǎo)致可靠性隱患。此外，耳機(jī)電池充電期間常采用固定電壓，該方法會引起有害發(fā)熱。本設(shè)計方案中，我們詳細(xì)考察了這些方法的缺點(diǎn)，然后提出一種采用兩片IC解決這些問題的混合方法。
概述
在東方文化中，大耳朵象征著好運(yùn)和財富。遺憾的是，世界上大部分人都沒有與生俱來的好運(yùn)和財富——每個人耳朵的形狀與大小都不盡相同。真無線耳機(jī)(圖1)制造商當(dāng)然不能指望每位用戶都長著一對能夠自如佩戴耳機(jī)的大耳朵，相反，他們需要攻克一項巨大的挑戰(zhàn)：耳機(jī)能夠適應(yīng)各種大小和形狀的雙耳，同時讓用戶感到佩戴舒適。
圖1(a). 真無線耳機(jī)。圖1(b). 真無線耳機(jī)及其充電盒
尺寸約束不是他們唯一的挑戰(zhàn)。從本質(zhì)上講，真無線耳機(jī)必然是可重復(fù)充電的。然而，如果充電效率不高，耳機(jī)會快速發(fā)熱，達(dá)到高溫，從而限制了其充電速度，并且使其佩戴不舒適。本設(shè)計方案中，我們討論無線耳機(jī)電池充電的管理方式，以及將這些微小外殼內(nèi)的占位面積最小化所面臨的挑戰(zhàn)。我們提出一種利用IC來節(jié)省空間的途徑，該IC采用創(chuàng)新的方法來管理耳機(jī)與其充電盒之間的電源和數(shù)據(jù)傳輸。最后，我們介紹一款DC-DC轉(zhuǎn)換器IC，該IC能夠自適應(yīng)優(yōu)化電池充電條件，從而最大程度減小以熱形式浪費(fèi)的功率，有助于縮短充電時間。
耳機(jī)充電接口
真無線耳機(jī)被放入充電盒時，其中的耳機(jī)開始充電。圖2所示為該配置方案的簡化框圖。
圖2. 耳機(jī)和充電盒簡化圖
耳機(jī)制造商常常使用3個(或更多)引腳接口來管理電池充電過程。兩個引腳用于充電，其他引腳提供充電盒和耳機(jī)之間的通信(或數(shù)據(jù))通道。該通道用于在充電盒和耳機(jī)中跟蹤電池的狀態(tài)，意味著用戶和系統(tǒng)都能夠持續(xù)獲得充電過程狀態(tài)的相關(guān)信息。該通信接口也可用于設(shè)備固件升級以及/或者工廠調(diào)試。有些耳機(jī)型號使用專用的(pogo)引腳來檢測耳機(jī)是否被放入充電盒。雖然有些制造商使用霍爾效應(yīng)傳感器，以避免使用專用pogo引腳，但這要求充電盒中具有額外附加元件。
為了在微小的耳機(jī)內(nèi)部容納附加引腳，無論出于什么目的，都為制造商帶來了挑戰(zhàn)，不僅限于空間，而且關(guān)乎可靠性，因為每個引腳在制造過程中都會引入潛在故障點(diǎn)。理想情況下，應(yīng)只使用兩個引腳將耳機(jī)連接到充電盒。實現(xiàn)以上目的的一種途徑是使用兩個傳輸電源的引腳和一路獨(dú)立的Bluetooth®通道實現(xiàn)與充電盒之間的數(shù)據(jù)通信。然而，這要求在充電盒內(nèi)擁有額外的藍(lán)牙收發(fā)器，會占用甚至更大的空間和功耗。
將數(shù)據(jù)和電源傳輸組合在一起
對于耳機(jī)與其充電盒通信，一種更高效的方法是將數(shù)據(jù)和電源傳輸組合到單個通道，有效地將數(shù)據(jù)信號疊加到電源上。這被稱為“電力線通信”(類似于電源插座被用于擴(kuò)展有線網(wǎng)絡(luò)通信)。MAX20340實現(xiàn)了這種技術(shù)的創(chuàng)新，提供雙向直流電力線通信接口，適用于空間受限的便攜式消費(fèi)類電子設(shè)備。利用這種方法，引腳數(shù)量可減少到2個，堪稱完美的方案。圖3所示為MAX20340直流電力線通信管理IC被集成到耳機(jī)及其充電盒的方式，支持速率高達(dá)166.7kbps的雙向數(shù)據(jù)傳輸。主機(jī)IC位于充電盒內(nèi)，每個耳機(jī)內(nèi)各有可尋址的從機(jī)IC。
圖3. 利用MAX20340實現(xiàn)耳機(jī)和充電盒之間的數(shù)據(jù)和電源傳輸
接口僅使用兩個引腳，有效減少故障點(diǎn)數(shù)量，從而提高可靠性。MAX20340擁有其他諸多優(yōu)勢。器件的最大充電電流為1.2A，電池充電更快速。器件具有自動從機(jī)檢測功能，意味著既不需要霍爾效應(yīng)傳感器，也不需要pogo引腳，充電盒即可識別耳機(jī)是否已放入。器件包括高ESD保護(hù)，無需附加TVS二極管。IC采用9焊球、0.4mm焊距、1.358mm x 1.358mm晶圓級封裝(WLP)。
減少發(fā)熱
為防止發(fā)熱，耳機(jī)電池充電應(yīng)盡量高效。通過分析這一過程，會發(fā)現(xiàn)不為人知的功耗源。電池盒中的鋰離子電池(典型為3.7V)通常利用DC-DC轉(zhuǎn)換器IC被升壓到5V，然后被耳機(jī)中的線性充電器用于為電池充電。然而，即使耳機(jī)電池電壓在充電期間升高，但始終保持低于5V。這種過高電壓會造成功率被以熱量的形式浪費(fèi)掉。為防止浪費(fèi)，在充電過程中，線性充電器的輸入(由升壓轉(zhuǎn)換器提供)與電池電壓之間的電壓差，應(yīng)隨著電池電壓升高而改變，從而持續(xù)實現(xiàn)最小化。
圖4所示的升/降壓轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)這一目的，該IC采用稱為動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)的技術(shù)
圖4. MAX20343升/降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，帶DVS
圖5所示為MAX20343如何與MAX20340配合使用，以降低散熱。MAX20340間歇地查詢耳機(jī)電池電壓，并將該信息提供給充電盒側(cè)的微控制器。然后微控制器調(diào)節(jié)MAX20343的輸出電壓，使其與耳機(jī)電池電壓加上線性充電器所需的附加裕量相匹配。這樣的優(yōu)勢是最大程度降低充電盒側(cè)電池的能源浪費(fèi)，降低耳機(jī)內(nèi)的散熱。散熱降低就意味著耳機(jī)能夠以較快的速率進(jìn)行充電。MAX20343可選擇16焊球、1.77mm x 2.01mm、0.4mm焊距、WLP封裝，或12引腳、2.50mm x 2.50mm、0.5mm焊距FC2QFN封裝。
圖5. 使用MAX20340和MAX20343進(jìn)行充電
總結(jié)
真無線耳機(jī)體積微小，帶來了諸多設(shè)計挑戰(zhàn)。我們已經(jīng)看到，除電源傳輸介質(zhì)外，真無線系統(tǒng)需要一種途徑來實現(xiàn)耳機(jī)和充電盒之間的雙向數(shù)據(jù)通信。許多型號的耳機(jī)使用額外引腳來提供數(shù)據(jù)通道，同時也通過專用的pogo引腳使充電盒能夠識別耳機(jī)是否已放入。然而，額外引腳會占用有限的空間，增加附加故障點(diǎn)。這會導(dǎo)致制造過程中的可靠性問題。我們也討論了耳機(jī)充電過程中的能源浪費(fèi)形式。我們介紹了能夠克服這些挑戰(zhàn)的兩款I(lǐng)C。MAX20340將電源和數(shù)據(jù)傳輸組合到一個通道，意味著只需兩個引腳即可實現(xiàn)耳機(jī)與其充電盒的連接。MAX20343通過提高電池充電過程的效率，減少發(fā)熱。無論是配合使用還是獨(dú)立使用，這些IC都是類似應(yīng)用的理想選擇，例如助聽器、游戲手柄、手持無線電對講機(jī)、銷售終端。
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