¿Cómo diseñar un pin Pogo de carga para auriculares TWS?
Los auriculares Bluetooth inalámbricos TWS son uno de los productos portátiles inteligentes preferidos por hombres, mujeres y niños en los últimos años. Es pequeño y exquisito, fácil de cargar y tiene diferentes formas. Se puede cargar colocándolo en el compartimento de carga. Uno de los componentes principales en el compartimiento de carga de los auriculares Bluetooth TWS es el pin pogopin. Los auriculares TWS se pueden cargar a través del contacto entre el extremo hembra del pin pogo y el extremo macho en el compartimiento de carga. El 80 por ciento de las marcas en el mercado eligen usar el pin pogo.
La caja de carga de auriculares TWS es un escenario ideal de carga inalámbrica de bajo consumo. El auricular Bluetooth inalámbrico TWS que admite la carga inalámbrica tiene un módulo de recepción de carga inalámbrica incorporado en la caja de carga, que se puede colocar en el cargador inalámbrico para cargar como un teléfono móvil de carga inalámbrica, realizando la carga inalámbrica. La función "verdaderamente inalámbrica" de Bluetooth más la carga inalámbrica ofrece una mejor experiencia de usuario y se considera la forma definitiva de los verdaderos auriculares inalámbricos Bluetooth TWS.
Ahora, los auriculares TWS se dividen aproximadamente en tipos semi-in-ear con mangos largos y formas de brotes de frijol tipo coclear en el diseño de la cabeza del auricular. La forma de los auriculares es relativamente limitada, por lo que el diseño de carga y carga se ha convertido en un punto de inflexión. La imagen es correcta. El compartimiento de carga ha hecho una pequeña innovación, utilizando un proceso de moldeo por inyección de dos colores, una apariencia oscura y transparente, y un diseño de textura interna, y con la pantalla de alimentación, ¡creando una sensación de alta calidad y alta tecnología!
¿Cómo superar los siete desafíos de diseño de los auriculares TWS?
Aquí hay algunos consejos para ayudar a resolver algunos de los desafíos más difíciles en el diseño de auriculares TWS, desde minimizar la pérdida de energía hasta extender el tiempo de espera.
Desde el lanzamiento de Apple AirPods en 2016, el mercado de estéreo inalámbrico verdadero (TWS) ha crecido más del 50 por ciento anual. Los fabricantes de estos populares auriculares inalámbricos están agregando rápidamente más funciones (cancelación de ruido, sueño y monitoreo de la salud) para diferenciar sus productos, pero agregar todas estas funciones puede ser difícil desde el punto de vista de la ingeniería de diseño. En este artículo, revisaré estos desafíos.
Desafío 1: Minimice la pérdida de energía a través de una carga eficiente
Un desafío importante con los auriculares inalámbricos es lograr un tiempo de reproducción total más largo cuando los auriculares en el compartimento de la batería están completamente cargados. En este caso, un tiempo de reproducción total más largo se traduce en la cantidad de ciclos que un estuche puede cargar los auriculares durante toda su vida útil. El objetivo es permitir una carga eficiente y minimizar el consumo de energía desde el estuche de carga hasta los auriculares.
El estuche de carga emite un voltaje de la batería como entrada para cargar los auriculares. La solución típica es un convertidor elevador con una salida fija de 5 V, que es una solución sencilla pero que no optimiza la eficiencia de carga. Debido a que las baterías de los auriculares son tan pequeñas, los diseñadores suelen usar cargadores lineales. Cuando se usa una entrada fija de 5 V, la eficiencia de carga es muy baja, alrededor de (V en - 5 bats) / 5 pulgadas, y produce una gran caída de voltaje en la batería. Conecte un voltaje promedio de batería de iones de litio de 3,6 V (media descarga) y la entrada de 5 V es solo un 72 por ciento eficiente.
Por el contrario, el uso de un amplificador de salida ajustable o un convertidor reductor-elevador en el estuche de carga produce un voltaje solo ligeramente superior al rango de voltaje típico de los auriculares. Esto requiere comunicación entre el estuche de carga y los auriculares, lo que permite que el voltaje de salida del estuche de carga se ajuste dinámicamente a la batería de los auriculares a medida que aumenta el voltaje. Esto minimizará las pérdidas, aumentará la eficiencia de carga y reducirá significativamente el calor.
Desafío 2: Reduzca la escala de la solución general sin eliminar la funcionalidad
El segundo desafío es el desafío general del diseño de baterías pequeñas: cómo diseñar una batería que sea pequeña en tamaño y grande en funciones. La solución simple aquí es elegir un dispositivo con componentes más integrados. P.ej:
Un cargador lineal de alto rendimiento que integra rieles de alimentación adicionales para alimentar el bloque del sistema principal y es una buena opción para auriculares inalámbricos.
Para los módulos de bajo voltaje que consumen mucha energía, como los procesadores y los módulos de comunicación inalámbrica, los rieles intercambiables son la mejor opción para la eficiencia.
Para bloques de sensores que no requieren mucha energía pero necesitan poco ruido, considere usar un regulador de caída baja.
Si sus auriculares inalámbricos integran sensores frontales analógicos para medir el oxígeno en la sangre y la frecuencia cardíaca, es posible que también necesite un convertidor de refuerzo.
Integre rieles de alimentación adicionales en el cargador para reducir su factor de forma. Sin embargo, siempre existe una compensación entre integrar más para tamaños más pequeños y usar circuitos integrados (CI) más discretos para mayor flexibilidad.
Desafío 3: extender el tiempo de espera
El tiempo de espera es importante porque los consumidores esperan que los auriculares reproduzcan música incluso después de largos períodos de inactividad fuera del estuche de carga. Considere usar baterías de iones de litio de mayor densidad de energía en los auriculares, que generalmente tienen voltajes más altos, como 4,35 voltios y 4,4 voltios, para que se pueda almacenar más energía. Una carga completa también aumenta el tiempo de espera. Un cargador de batería con una pequeña corriente de terminación y alta precisión ayudará a prolongar el tiempo de espera. Si hay un gran cambio en la especificación de la corriente de terminación, puede terminar con una corriente de terminación más alta, lo que puede provocar una terminación prematura y una batería baja.
Una batería de 41 mAh terminó en 1 mAh frente a 4 mAh. Si la corriente nominal de terminación de 1 mA varía ampliamente y realmente termina en 4 mA, la capacidad de la batería de 2 mAh permanecerá sin explotar. Una corriente de terminación más baja y una mayor precisión aumentan la capacidad efectiva de la batería.
La baja corriente de reposo (IQ) también es importante para prolongar el tiempo de espera en diferentes modos de funcionamiento. Un IC de cargador con una ruta de alimentación y una corriente de modo de envío cercana a cero evitará que la batería se agote antes de que el producto llegue al consumidor, lo que permitirá su uso inmediato. La ruta de alimentación requiere colocar transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal entre la batería y el sistema para gestionar las rutas del sistema y de la batería, respectivamente.
Cuando los auriculares están reproduciendo música o en reposo, el consumo actual del sistema debe ser lo más pequeño posible. Encontrar un cargador con bajo I también minimice la I del sistema. Por ejemplo, los cargadores de baterías a menudo requieren una red de resistencias de coeficiente de temperatura negativo (NTC) para medir la temperatura de la batería.
Algunas soluciones del mercado no pueden apagar la corriente NTC cuando funcionan en modo batería. O tienen demasiadas fugas (las fugas pueden superar los 200 µ cuando la red NTC tiene 20 kΩ) o requieren E/S adicionales y se apagan con un interruptor.
Desafío 4: Diseño de seguridad
Los fabricantes de paquetes de baterías a menudo tienen pautas para cargar baterías a diferentes temperaturas, y las baterías deben permanecer dentro de estas áreas de operación seguras durante el uso. Algunos requieren un perfil estándar donde la carga se detiene fuera del límite de temperatura fría y caliente. Por ejemplo, otras empresas pueden solicitar información específica de la Asociación de Tecnología de la Información y Electrónica de Japón. Para cumplir con estos perfiles de temperatura, busque un perfil con la programación necesaria incorporada o alguna I dosC. El BQ21061 y el BQ25155 tienen registros para configurar la ventana de temperatura y las acciones que se deben realizar dentro de un rango de temperatura específico.
El bloqueo por bajo voltaje de la batería (UVLO) es otra característica de seguridad que evita que la batería se descargue en exceso y, por lo tanto, se esfuerce. Una vez que el voltaje de la batería cae por debajo de cierto umbral, UVLO corta la ruta de descarga. Por ejemplo, para una batería de iones de litio cargada a 4,2 V, un umbral de corte común es de 2,8 V a 3 V.
Desafío 5: Garantizar la confiabilidad del sistema
La baja confiabilidad del sistema provocó que algunos microprocesadores se atascaran cuando el usuario enchufaba el adaptador. Si bien esto es raro, requiere un reinicio de energía del sistema para que el microprocesador pueda reiniciarse y volver a la normalidad. Algunos cargadores de batería integran un temporizador de vigilancia de reinicio de hardware que realiza un reinicio de hardware o un ciclo de encendido (si no), se detectan dos transacciones C en algún momento después de que el usuario conecta el adaptador. Después de reiniciar el sistema, la ruta de alimentación se desconecta y se vuelve a conectar a la batería y al sistema.
Al igual que el temporizador de vigilancia de restablecimiento de hardware, el temporizador de vigilancia de software tradicional también ayuda a mejorar la confiabilidad del sistema al restablecer el registro del cargador a su valor predeterminado después de un período sin transacciones en los dos C. Este reinicio evita que la batería se cargue incorrectamente cuando el microprocesador está en un estado defectuoso.
Desafío 6: Monitorear las Mejores Áreas Operativas
El sexto desafío es monitorear los parámetros del sistema, lo que se puede lograr de manera eficiente mediante un convertidor analógico a digital (ADC) de alta precisión incorporado. Medir el voltaje de la batería es un buen parámetro porque proporciona una representación conveniente, aunque aproximada, del estado de carga de la batería. Como regla general, si el estado de carga requerido por los auriculares inalámbricos es superior al ±5 por ciento.
El ADC incorporado de alta precisión también le permite monitorear y tomar medidas sobre la temperatura de la batería y la placa durante la carga y descarga. Otros parámetros que el cargador puede monitorear incluyen voltaje/corriente de entrada, voltaje/corriente de carga y voltaje del sistema. El comparador incorporado también ayuda convenientemente a monitorear parámetros específicos y enviar interrupciones al host. Si el parámetro está dentro del rango normal y el comparador no se activa, el host no tiene que leer constantemente el parámetro de interés. El BQ25155 es un buen ejemplo para monitorear los parámetros del sistema ya que tiene un ADC y un comparador.
Desafío 7: simplificar la conectividad inalámbrica
Algunos auriculares inalámbricos tienen una función que muestra el estado de carga de los auriculares y el estuche de carga en el teléfono inteligente cuando los auriculares están en el estuche de carga y la tapa está abierta. Para respaldar esto, los auriculares deben informar el estado de carga tan pronto como se conectan al estuche, incluso si la batería está agotada. El chip principal debe estar activo para informar el estado de carga, por lo que, en este caso, la fuente de alimentación externa debe estar alimentando los auriculares. Un cargador con una ruta de alimentación permite que el sistema obtenga un voltaje más alto de la VBU mientras carga la batería a un voltaje más bajo.
Varias funciones del cargador de auriculares inalámbricos (como el modo de envío, el restablecimiento de la energía del sistema, la batería UVLO, la corriente precisa del terminal y el informe instantáneo del estado de la carga) no son posibles sin la capacidad de ruta de alimentación, que requiere que se coloque tanto la batería como el sistema A MOSFET en el medio para administrar el sistema y las rutas de la batería por separado. La figura 5 ilustra el cargador con y sin ruta de alimentación.
Los cargadores de conmutación y lineales se pueden ver en el diseño del estuche de carga según el tamaño de la batería y la velocidad de carga. Los cargadores de conmutación son más eficientes y generan menos calor, lo cual es importante para corrientes altas de 700 mA y superiores. Los cargadores de conmutación generalmente vienen con una función de impulso o seguimiento integrada que aumenta el voltaje de la batería y proporciona el voltaje de entrada para cargar los auriculares. Los cargadores lineales también son una buena opción para cajas de baterías de bajo nivel de corriente, ya que ofrecen un bajo costo y un coeficiente intelectual bajo.
Los audífonos recargables presentan desafíos de diseño similares. Por lo general, son más pequeños que los auriculares de botón, por lo que son invisibles y, por lo tanto, requieren una mayor integración de energía en un área más pequeña. También requieren rieles de alimentación de bajo ruido, incluida una topología de capacitor conmutado, para una claridad de audio superior.