TWS 이어버드용 충전 Pogo 핀을 설계하는 방법은 무엇입니까?
TWS 무선 블루투스 헤드셋은 최근 몇 년 동안 남성, 여성 및 어린이가 선호하는 스마트 웨어러블 제품 중 하나입니다. 작고 절묘하며 충전하기 쉽고 모양이 다릅니다. 충전 칸에 넣으면 충전이 가능합니다. TWS Bluetooth 헤드셋 충전 구획의 핵심 구성 요소 중 하나는 포고핀 포고 핀입니다. TWS 이어폰은 포고 핀의 암 끝과 충전실의 수 끝 사이의 접촉을 통해 충전할 수 있습니다. 시장에 나와 있는 브랜드의 80%가 포고 핀을 선택합니다.
TWS 헤드셋 충전 상자는 이상적인 저전력 무선 충전 시나리오입니다. 무선충전을 지원하는 TWS 무선 블루투스 헤드셋은 충전박스에 무선충전 수신모듈이 내장되어 있어 무선충전 휴대폰처럼 무선충전기에 올려놓으면 무선충전이 가능하다. 블루투스 플러스 무선 충전의 "진정한 무선" 기능은 더 나은 사용자 경험을 제공하며 TWS 진정한 무선 블루투스 헤드셋의 궁극적인 형태로 간주됩니다.
이제 TWS 이어폰은 헤드폰 헤드 디자인에서 손잡이가 긴 세미인이어형과 달팽이관형 콩나물 모양으로 크게 나뉩니다. 이어폰의 모양은 상대적으로 제한적이기 때문에 충전 및 충전 디자인이 획기적인 포인트가 되었습니다. 사진 맞습니다 충전실은 2색 사출 성형 공정, 어둡고 투명한 외관, 내부 질감 디자인을 사용하여 약간의 혁신을 일으켰고 전원 디스플레이로 고품질, 하이테크 느낌을 연출했습니다!
TWS 헤드폰의 7가지 디자인 과제를 어떻게 극복합니까?
다음은 전력 손실 최소화에서 대기 시간 연장에 이르기까지 TWS 헤드폰 설계에서 가장 어려운 몇 가지 문제를 해결하는 데 도움이 되는 몇 가지 팁입니다.
2016년 Apple AirPods 출시 이후 진정한 무선 스테레오(TWS) 시장은 매년 50% 이상 성장했습니다. 이러한 인기 있는 무선 이어폰의 제조업체는 제품 차별화를 위해 더 많은 기능(노이즈 캔슬링, 수면 및 건강 모니터링)을 빠르게 추가하고 있지만 이러한 기능을 모두 추가하는 것은 설계 엔지니어링 관점에서 어려울 수 있습니다. 이 기사에서는 이러한 과제를 검토할 것입니다.
과제 1: 효율적인 충전을 통한 전력 손실 최소화
무선 이어폰의 주요 과제는 배터리 수납부의 이어버드가 완전히 충전되었을 때 더 긴 총 재생 시간을 달성하는 것입니다. 이 경우 더 긴 총 재생 시간은 케이스가 전체 수명 동안 이어버드를 충전할 수 있는 사이클 수로 해석됩니다. 충전 케이스에서 이어버드까지의 전력 소모를 최소화하면서 효율적인 충전이 가능하도록 하는 것이 목표입니다.
충전 케이스는 이어폰을 충전하기 위한 입력으로 배터리의 전압을 출력합니다. 일반적인 솔루션은 고정 5V 출력의 부스트 컨버터로, 간단한 솔루션이지만 충전 효율을 최적화하지 못합니다. 이어버드 배터리는 매우 작기 때문에 설계자는 종종 선형 충전기를 사용합니다. 고정 5V 입력을 사용할 때 충전 효율은 약 (V in - 5 bats) / 5in로 매우 낮고 배터리에 큰 전압 강하가 발생합니다. 평균 3.6V 리튬 이온 배터리 전압(반방전)을 연결하면 5V 입력의 효율은 72%에 불과합니다.
반대로, 충전 케이스에 조정 가능한 출력 부스트 또는 벅-부스트 컨버터를 사용하면 일반적인 이어버드 전압 범위보다 약간 높은 전압만 생성됩니다. 이를 위해서는 충전 케이스에서 이어버드로의 통신이 필요하며, 이를 통해 전압이 증가함에 따라 충전 케이스의 출력 전압이 이어버드의 배터리에 맞게 동적으로 조정됩니다. 이를 통해 손실을 최소화하고 충전 효율을 높이며 열을 크게 줄일 수 있습니다.
과제 2: 기능을 제거하지 않고 전체 솔루션 축소
두 번째 과제는 소형 배터리 설계의 일반적인 과제입니다. 즉, 크기는 작지만 기능은 큰 배터리를 설계하는 방법입니다. 여기서 간단한 솔루션은 더 통합된 구성 요소가 있는 장치를 선택하는 것입니다. 예:
메인 시스템 블록에 전원을 공급하기 위해 추가 전원 레일을 통합하고 무선 헤드폰에 적합한 고성능 선형 충전기입니다.
프로세서 및 무선 통신 모듈과 같이 전력 소모가 많은 저전압 모듈의 경우 스왑 레일이 효율성을 위한 최상의 선택입니다.
많은 전력이 필요하지 않지만 저잡음이 필요한 센서 블록의 경우 저드롭아웃 레귤레이터 사용을 고려하십시오.
무선 헤드폰이 아날로그 프런트 엔드 센서를 통합하여 혈중 산소 및 심박수를 측정하는 경우 부스트 컨버터도 필요할 수 있습니다.
추가 전원 레일을 충전기에 통합하여 폼 팩터를 더 작게 만드십시오. 그러나 더 작은 크기를 위해 더 많이 통합하는 것과 유연성을 위해 더 많은 개별 집적 회로(IC)를 사용하는 것 사이에는 항상 절충점이 있습니다.
과제 3: 대기 시간 연장
소비자는 충전 케이스 밖에서 오랫동안 사용하지 않아도 헤드폰에서 음악이 재생되기를 기대하기 때문에 대기 시간이 중요합니다. 더 많은 에너지를 저장할 수 있도록 일반적으로 4.35볼트 및 4.4볼트와 같이 더 높은 전압을 사용하는 이어버드에 더 높은 에너지 밀도의 리튬 이온 배터리를 사용하는 것이 좋습니다. 완전히 충전하면 대기 시간도 늘어납니다. 작은 종단 전류와 높은 정확도를 제공하는 배터리 충전기는 대기 시간을 연장하는 데 도움이 됩니다. 종단 전류 사양이 크게 변경되면 종단 전류가 높아져 조기 종단 및 배터리 부족으로 이어질 수 있습니다.
41mAh 배터리는 4mAh 대 1mAh에서 종료되었습니다. 공칭 1mA 종단 전류가 크게 변하고 실제로 4mA에서 종단되는 경우 2mAh 배터리 용량은 활용되지 않은 상태로 유지됩니다. 더 낮은 종단 전류와 더 높은 정확도는 효과적인 배터리 용량을 증가시킵니다.
낮은 대기 전류(IQ)는 다양한 작동 모드에서 대기 시간을 연장하는 데도 중요합니다. 전원 경로와 거의 0에 가까운 배송 모드 전류를 갖는 충전기 IC는 제품이 소비자에게 도달하기 전에 배터리가 소모되는 것을 방지하여 즉각적인 사용을 가능하게 합니다. 전력 경로는 시스템과 배터리 경로를 각각 관리하기 위해 배터리와 시스템 사이에 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터를 배치해야 합니다.
이어버드가 음악을 재생하거나 유휴 상태일 때 시스템의 전류 소비는 가능한 한 작아야 합니다. 낮은 I로 충전기를 찾으면 시스템의 I도 최소화됩니다. 예를 들어, 배터리 충전기는 종종 배터리 온도를 측정하기 위해 음의 온도 계수(NTC) 저항 네트워크를 필요로 합니다.
시장에 나와 있는 일부 솔루션은 배터리 모드에서 작업할 때 NTC 전류를 끌 수 없습니다. 너무 많이 누출되거나(NTC 네트워크가 20kΩ일 때 누출이 200µ를 초과할 수 있음) 추가 I/O가 필요하고 스위치로 끕니다.
과제 4: 보안 설계
배터리 팩 제조업체에는 다양한 온도에서 배터리를 충전하기 위한 지침이 있는 경우가 많으며 배터리는 사용 중에 이러한 안전한 작동 영역 내에 있어야 합니다. 일부는 고온 및 저온 온도 경계 밖에서 충전이 중지되는 표준 프로파일이 필요합니다. 예를 들어, 다른 회사는 일본 전자 정보 기술 협회의 특정 정보를 요구할 수 있습니다. 이러한 온도 프로파일을 준수하려면 필요한 내장 또는 일부 I 2C 프로그래밍 기능이 있는 프로파일을 찾으십시오. BQ21061 및 BQ25155에는 온도 창과 특정 온도 범위 내에서 취해야 할 조치를 설정하는 레지스터가 있습니다.
배터리 부족 전압 잠금(UVLO)은 배터리가 과방전되어 스트레스를 받는 것을 방지하는 또 다른 안전 기능입니다. 배터리 전압이 특정 임계값 아래로 떨어지면 UVLO가 방전 경로를 차단합니다. 예를 들어, 4.2V로 충전된 리튬 이온 배터리의 경우 공통 차단 임계값은 2.8V ~ 3V입니다.
과제 5: 시스템 안정성 보장
낮은 시스템 안정성으로 인해 사용자가 어댑터를 꽂았을 때 일부 마이크로프로세서가 멈추었습니다. 이것은 드물지만 마이크로프로세서가 다시 시작되고 정상으로 돌아갈 수 있도록 시스템 전원 재설정이 필요합니다. 일부 배터리 충전기는 하드웨어 리셋을 수행하는 하드웨어 리셋 워치독 타이머를 통합하거나 사용자가 어댑터를 연결한 후 언젠가 두 개의 C 트랜잭션이 감지되는 전원 주기(그렇지 않은 경우)를 감지합니다. 시스템 재설정 후 전원 경로가 분리되고 배터리 및 시스템에 다시 연결됩니다.
하드웨어 리셋 워치독 타이머와 유사하게 기존 소프트웨어 워치독 타이머는 2C에서 트랜잭션이 없는 기간 후에 충전기 레지스터를 기본값으로 재설정하여 시스템 안정성을 개선하는 데 도움이 됩니다. 이 재설정은 마이크로프로세서에 결함이 있을 때 배터리가 잘못 충전되는 것을 방지합니다.
과제 6: 최상의 운영 영역 모니터링
여섯 번째 과제는 내장된 고정밀 아날로그-디지털 변환기(ADC)로 효율적으로 달성할 수 있는 시스템 매개변수를 모니터링하는 것입니다. 배터리 전압을 측정하는 것은 배터리의 충전 상태를 대략적이지만 편리하게 나타내기 때문에 좋은 매개변수입니다. 일반적으로 무선 헤드셋에 필요한 충전 상태가 ±5% 이상인 경우 .
또한 고정밀 내장 ADC를 통해 충전 및 방전 중에 배터리 및 보드 온도를 모니터링하고 조치를 취할 수 있습니다. 충전기가 모니터링할 수 있는 다른 매개변수에는 입력 전압/전류, 충전 전압/전류 및 시스템 전압이 포함됩니다. 내장된 비교기는 또한 특정 매개변수를 모니터링하고 호스트에 인터럽트를 보내는 데 편리합니다. 매개변수가 정상 범위 내에 있고 비교기가 트리거되지 않으면 호스트는 관심 매개변수를 지속적으로 읽을 필요가 없습니다. BQ25155는 ADC와 비교기가 있어 시스템 매개변수를 모니터링하는 좋은 예입니다.
과제 7: 무선 연결 간소화
일부 무선 이어폰에는 이어폰을 충전 케이스에 넣고 뚜껑을 열면 이어폰과 충전 케이스의 충전 상태를 스마트폰에 표시하는 기능이 있습니다. 이를 지원하려면 배터리가 소진된 경우에도 이어폰이 케이스에 연결되는 즉시 충전 상태를 보고해야 합니다. 충전 상태를 보고하려면 메인 칩이 깨어 있어야 하므로 이 경우 외부 전원이 이어버드에 전원을 공급해야 합니다. 전원 경로가 있는 충전기를 사용하면 시스템이 VBU에서 더 높은 전압을 얻는 동시에 배터리를 더 낮은 전압으로 충전할 수 있습니다.
무선 헤드폰 충전기의 여러 기능(예: 배송 모드, 시스템 전원 재설정, 배터리 UVLO, 정확한 단자 전류 및 즉각적인 충전 상태 보고)은 배터리와 시스템 A MOSFET을 모두 배치해야 하는 전원 경로 기능 없이는 불가능합니다. 시스템과 배터리 경로를 별도로 관리합니다. 그림 5는 전원 경로가 있는 충전기와 없는 충전기를 보여줍니다.
충전 케이스 디자인에서 배터리 크기와 충전 속도에 따라 스위칭 및 선형 충전기를 볼 수 있습니다. 스위칭 충전기는 700mA 이상의 고전류에 중요한 더 효율적이고 더 적은 열을 생성합니다. 스위칭 충전기는 일반적으로 배터리 전압을 높이고 이어버드 충전을 위한 입력 전압을 제공하는 통합 부스트 또는 팔로우 기능과 함께 제공됩니다. 선형 충전기는 낮은 비용과 낮은 IQ를 제공하므로 저전류 수준 배터리 상자에도 적합합니다.
충전식 보청기는 유사한 설계 문제를 제시합니다. 일반적으로 이어버드보다 작아서 보이지 않으므로 더 작은 영역에서 더 많은 전력 통합이 필요합니다. 또한 우수한 오디오 선명도를 위해 스위치드 커패시터 토폴로지를 포함한 저잡음 전원 레일이 필요합니다.