TWS Kulaklıklar için şarjlı bir Pogo pini nasıl tasarlanır?
TWS Kablosuz Bluetooth kulaklık, son yıllarda erkek, kadın ve çocukların tercih ettiği akıllı giyilebilir ürünlerden biridir. Küçük ve zariftir, şarj edilmesi kolaydır ve farklı şekillere sahiptir. Şarj bölmesine yerleştirerek şarj edilebilir. TWS Bluetooth kulaklık şarj bölmesindeki temel bileşenlerden biri pogopin pogo pinidir. TWS kulaklıklar, pogo piminin dişi ucu ile şarj bölmesindeki erkek ucu arasındaki temas yoluyla şarj edilebilir. Piyasadaki markaların yüzde 80'i pogo pin kullanmayı tercih ediyor.
TWS kulaklık şarj kutusu, ideal bir düşük güçlü kablosuz şarj senaryosudur. Kablosuz şarjı destekleyen TWS kablosuz Bluetooth kulaklığın, kablosuz şarjı gerçekleştiren bir kablosuz şarjlı cep telefonu gibi şarj etmek için kablosuz şarj cihazının üzerine yerleştirilebilen, şarj kutusunda yerleşik bir kablosuz şarj alma modülü vardır. Bluetooth plus kablosuz şarjın "gerçekten kablosuz" işlevi, daha iyi bir kullanıcı deneyimine sahiptir ve TWS gerçek kablosuz Bluetooth kulaklığın nihai biçimi olarak kabul edilir.
Şimdi TWS kulaklıklar, kulaklık başlığının tasarımında uzun saplı ve koklear tipi fasulye filizi şekilleri ile kabaca yarı kulak içi tiplere ayrılıyor. Kulaklıkların şekli nispeten sınırlıdır, bu nedenle şarj etme ve şarj etme tasarımı bir atılım noktası haline geldi. Resim doğru Şarj bölmesi, iki renkli enjeksiyon kalıplama işlemi, koyu ve şeffaf bir görünüm ve iç doku tasarımı kullanarak ve güç göstergesiyle yüksek kaliteli, yüksek teknoloji hissi yaratan küçük bir yenilik yaptı!
TWS Kulaklıkların Yedi Tasarım Zorluğunun Üstesinden Nasıl Gelinir?
Güç kaybını en aza indirmekten bekleme süresini uzatmaya kadar TWS kulaklık tasarımındaki en zorlu zorluklardan bazılarını çözmenize yardımcı olacak bazı ipuçları.
Apple AirPods'un 2016'da piyasaya sürülmesinden bu yana, gerçek kablosuz stereo (TWS) pazarı yıllık yüzde 50'den fazla büyüdü. Bu popüler kablosuz kulaklıkların üreticileri, ürünlerini farklılaştırmak için hızla daha fazla özellik (gürültü engelleme, uyku ve sağlık izleme) ekliyor, ancak tüm bu özellikleri eklemek tasarım mühendisliği açısından zor olabilir. Bu yazıda bu zorlukları gözden geçireceğim.
Zorluk 1: Verimli şarj yoluyla güç kaybını en aza indirin
Kablosuz kulaklıklarla ilgili en büyük zorluk, pil bölmesindeki kulaklıklar tamamen şarj olduğunda daha uzun bir toplam çalma süresi elde etmektir. Bu durumda, daha uzun bir toplam oynatma süresi, bir kasanın tüm kullanım ömrü boyunca kulaklıkları şarj edebileceği döngü sayısı anlamına gelir. Amaç, şarj kutusundan kulaklıklara giden güç tüketimini en aza indirirken verimli şarj sağlamaktır.
Şarj kutusu, kulaklıkları şarj etmek için giriş olarak pilden bir voltaj verir. Tipik çözüm, basit bir çözüm olan ancak şarj verimliliğini optimize etmeyen sabit 5V çıkışlı bir yükseltici dönüştürücüdür. Kulaklık pilleri çok küçük olduğundan, tasarımcılar genellikle doğrusal şarj cihazları kullanır. Sabit bir 5V giriş kullanıldığında, şarj verimliliği çok düşüktür - yaklaşık (- 5 yarasa cinsinden V) / 5 inç - ve pilde büyük bir voltaj düşüşüne neden olur. Ortalama 3,6V Li-Ion akü voltajı (yarı boş) takın ve 5V giriş yalnızca yüzde 72 verimlidir.
Bunun tersine, şarj kutusunda ayarlanabilir çıkışlı bir boost veya buck-boost dönüştürücü kullanmak, tipik kulaklık voltaj aralığının sadece biraz üzerinde bir voltaj üretir. Bu, şarj kutusunun çıkış voltajının, voltaj arttıkça kulaklıkların piline dinamik olarak ayarlanmasını sağlayan şarj kutusundan kulakiçi kulaklıklara iletişim gerektirir. Bu, kayıpları en aza indirecek, şarj verimliliğini artıracak ve ısıyı önemli ölçüde azaltacaktır.
2. Zorluk: İşlevselliği kaldırmadan genel çözümü ölçeklendirin
İkinci zorluk, küçük pil tasarımının genel zorluğudur - hem boyut olarak küçük hem de işlev olarak büyük bir pilin nasıl tasarlanacağı. Buradaki basit çözüm, daha entegre bileşenlere sahip bir cihaz seçmektir. Örneğin:
Ana sistem bloğuna güç sağlamak için ek güç raylarını entegre eden ve kablosuz kulaklıklar için iyi bir seçim olan yüksek performanslı bir lineer şarj cihazı.
İşlemciler ve kablosuz iletişim modülleri gibi güce aç, düşük voltajlı modüller için, takas rayları verimlilik için en iyi seçimdir.
Fazla güç gerektirmeyen ancak düşük gürültüye ihtiyaç duyan sensör blokları için düşük bir bırakma regülatörü kullanmayı düşünün.
Kablosuz kulaklığınız, kandaki oksijeni ve kalp atış hızını ölçmek için analog ön uç sensörleri entegre ediyorsa, bir destek dönüştürücüye de ihtiyacınız olabilir.
Form faktörünü küçültmek için şarj cihazına ek güç rayları entegre edin. Bununla birlikte, daha küçük boyutlar için daha fazlasını entegre etmek ile esneklik için daha ayrık entegre devreler (IC'ler) kullanmak arasında her zaman bir denge vardır.
3. Zorluk: Bekleme süresini uzatın
Bekleme süresi önemlidir çünkü tüketiciler, şarj kutusunun dışında uzun süre kullanılmadığında bile kulaklıkların müzik çalmasını bekler. Daha fazla enerjinin depolanabilmesi için, tipik olarak 4,35 volt ve 4,4 volt gibi daha yüksek voltajlara sahip olan kulaklıklarda daha yüksek enerji yoğunluklu lityum iyon piller kullanmayı düşünün. Tam şarj, bekleme süresini de artırır. Küçük bir sonlandırma akımına ve yüksek hassasiyete sahip bir pil şarj cihazı, bekleme süresinin uzatılmasına yardımcı olacaktır. Sonlandırma akımı spesifikasyonunda büyük bir değişiklik olursa, erken sonlandırmaya ve düşük pile neden olabilecek daha yüksek bir sonlandırma akımı elde edebilirsiniz.
41mAh pil, 4mAh'a karşı 1mAh'de sonlandırıldı. Nominal 1mA sonlandırma akımı büyük ölçüde değişirse ve gerçekte 4mA'da sona ererse, 2mAh pil kapasitesi kullanılmadan kalacaktır. Daha düşük sonlandırma akımı ve daha yüksek doğruluk, etkin pil kapasitesini artırır.
Düşük hareketsiz akım (IQ), farklı çalışma modlarında bekleme süresini uzatmak için de önemlidir. Güç yoluna ve sıfıra yakın nakliye modu akımına sahip bir şarj cihazı IC'si, ürün tüketiciye ulaşmadan pilin boşalmasını önleyerek anında kullanım sağlar. Güç yolu, sırasıyla sistem ve pil yollarını yönetmek için pil ve sistem arasına metal oksit-yarı iletken alan etkili transistörlerin yerleştirilmesini gerektirir.
Kulaklıklar müzik çalarken veya boşta çalışırken, sistemin mevcut tüketiminin mümkün olduğunca az olması gerekir. Düşük olan bir şarj cihazı bulmak, sistemin I'sini de en aza indiririm. Örneğin, pil şarj cihazları, pil sıcaklığını ölçmek için genellikle bir negatif sıcaklık katsayısı (NTC) direnç ağı gerektirir.
Piyasadaki bazı çözümler pil modunda çalışırken NTC akımını kapatamaz. Ya çok fazla sızdırıyorlar (NTC ağı 20 kΩ olduğunda sızıntı 200µ'yi aşabilir) ya da ekstra I/O gerektirip bir anahtarla kapatıyorlar.
4. Zorluk: Güvenlik Tasarımı
Pil paketi üreticilerinin genellikle pilleri farklı sıcaklıklarda şarj etme yönergeleri vardır ve piller kullanım sırasında bu güvenli çalışma alanları içinde kalmalıdır. Bazıları, şarjın sıcak ve soğuk sıcaklık sınırlarının dışında durduğu standart bir profil gerektirir. Örneğin, diğer şirketler Japonya Elektronik ve Bilgi Teknolojileri Birliği'nden özel bilgiler isteyebilir. Bu sıcaklık profillerine uymak için, gerekli yerleşik veya bir miktar I TwoC programlanabilirliği olan bir profil arayın. BQ21061 ve BQ25155, sıcaklık penceresini ve belirli bir sıcaklık aralığında gerçekleştirilecek eylemleri ayarlamak için kayıtlara sahiptir.
Akü Düşük Voltaj kilidi (UVLO), akünün aşırı boşalmasını ve dolayısıyla gerilmesini önleyen başka bir güvenlik özelliğidir. Akü voltajı belirli bir eşiğin altına düştüğünde, UVLO deşarj yolunu keser. Örneğin, 4,2V'de şarj edilmiş bir Li-Ion pil için ortak bir kesme eşiği 2,8V ila 3V'dir.
5. Zorluk: Sistem Güvenilirliğinin Sağlanması
Düşük sistem güvenilirliği, kullanıcı bağdaştırıcıyı taktığında bazı mikroişlemcilerin takılmasına neden oldu. Bu nadir olmakla birlikte, mikroişlemcinin yeniden başlatılıp normale dönebilmesi için sistem gücünün sıfırlanması gerekir. Bazı pil şarj cihazları, bir donanım sıfırlaması veya güç döngüsü (değilse) gerçekleştiren donanım sıfırlama izleme zamanlayıcısını entegre eder, adaptör kullanıcı tarafından takıldıktan bir süre sonra iki C işlemi algılanır. Bir sistem sıfırlandıktan sonra, güç yolu bağlantısı kesilir ve aküye ve sisteme yeniden bağlanır.
Donanım sıfırlama izleme zamanlayıcısına benzer şekilde, geleneksel yazılım izleme zamanlayıcısı da, ikiC'de işlem yapılmayan bir sürenin ardından şarj cihazı kaydını varsayılan değerine sıfırlayarak sistem güvenilirliğini artırmaya yardımcı olur. Bu sıfırlama, mikroişlemci arızalı bir durumdayken pilin yanlış şarj edilmesini önler.
6. Zorluk: En İyi Çalışma Alanlarını İzleyin
Altıncı zorluk, yerleşik bir yüksek hassasiyetli analogdan dijitale dönüştürücü (ADC) ile verimli bir şekilde elde edilebilen sistem parametrelerini izlemektir. Akü voltajının ölçülmesi iyi bir parametredir, çünkü akünün şarj durumunun yaklaşık olmasına rağmen uygun bir temsilini sağlar. Genel bir kural olarak, kablosuz kulaklığın gerektirdiği şarj durumu yüzde ±5'ten yüksekse.
Yüksek doğrulukta yerleşik ADC, şarj ve deşarj sırasında pil ve kart sıcaklığını izlemenize ve bunlarla ilgili işlem yapmanıza da olanak tanır. Şarj cihazının izleyebileceği diğer parametreler arasında giriş voltajı/akımı, şarj voltajı/akımı ve sistem voltajı bulunur. Yerleşik karşılaştırıcı ayrıca belirli parametreleri izlemeye ve ana bilgisayara kesinti göndermeye yardımcı olur. Parametre normal aralıktaysa ve karşılaştırıcı tetiklenmezse, ana bilgisayarın ilgilenilen parametreyi sürekli okuması gerekmez. BQ25155, ADC ve karşılaştırıcıya sahip olduğu için sistem parametrelerini izlemek için iyi bir örnektir.
7. Zorluk: Kablosuz bağlantıyı basitleştirin
Bazı kablosuz kulaklıklarda, kulaklık şarj kutusundayken ve kapak açıkken akıllı telefonda kulaklığın şarj durumunu ve şarj durumunu görüntüleyen bir özellik bulunur. Bunu desteklemek için kulaklıklar, pili bitmiş olsa bile kutuya takılır takılmaz şarj durumunu bildirmelidir. Ana çipin şarj durumunu bildirebilmesi için uyanık olması gerekir, bu nedenle bu durumda harici güç kaynağı kulaklıklara güç veriyor olmalıdır. Güç yoluna sahip bir şarj cihazı, aküyü daha düşük bir voltajda şarj ederken sistemin VBU'dan daha yüksek voltaj almasını sağlar.
Kablosuz kulaklık şarj cihazının çeşitli özellikleri (gemi modu, sistem güç sıfırlama, pil UVLO, doğru terminal akımı ve anında şarj durumu raporlaması gibi), hem pil hem de sistem A MOSFET'inin yerleştirilmesini gerektiren güç yolu özelliği olmadan mümkün değildir. sistem ve pil yollarını ayrı ayrı yönetmek için. Şekil 5, güç yolu olan ve olmayan şarj cihazını göstermektedir.
Batarya boyutuna ve şarj hızına bağlı olarak şarj kutusu tasarımında anahtarlamalı ve lineer şarj cihazları görülebilir. Anahtarlamalı şarj cihazları daha verimlidir ve 700mA ve üzeri yüksek akımlar için önemli olan daha az ısı üretir. Anahtarlamalı şarj cihazları genellikle pil voltajını artıran ve kulaklıkları şarj etmek için giriş voltajı sağlayan entegre bir artırma veya takip etme işleviyle birlikte gelir. Lineer şarj cihazları, düşük maliyet ve düşük IQ sundukları için düşük akım seviyeli pil kutuları için de iyi bir seçimdir.
Şarj edilebilir işitme cihazları benzer tasarım zorlukları sunar. Genellikle kulakiçi kulaklıklardan daha küçüktürler, böylece görünmez olurlar ve bu nedenle daha küçük bir alanda daha fazla güç entegrasyonu gerektirirler. Ayrıca, üstün ses netliği için anahtarlamalı kapasitör topolojisi de dahil olmak üzere düşük gürültülü güç raylarına ihtiyaç duyarlar.