Πώς να σχεδιάσετε μια καρφίτσα Pogo φόρτισης για τα ακουστικά TWS;
Τα ασύρματα ακουστικά Bluetooth TWS είναι ένα από τα έξυπνα φορητά προϊόντα που προτιμούν άνδρες, γυναίκες και παιδιά τα τελευταία χρόνια. Είναι μικρό και εξαίσιο, φορτίζεται εύκολα και έχει διαφορετικά σχήματα. Μπορεί να φορτιστεί τοποθετώντας το στη θήκη φόρτισης. Ένα από τα βασικά στοιχεία στη θήκη φόρτισης των ακουστικών Bluetooth TWS είναι η ακίδα pogopin pogo. Τα ακουστικά TWS μπορούν να φορτιστούν μέσω της επαφής μεταξύ του θηλυκού άκρου του πείρου pogo και του αρσενικού άκρου στη θήκη φόρτισης. Το 80 τοις εκατό των εμπορικών σημάτων στην αγορά επιλέγουν να χρησιμοποιήσουν την καρφίτσα pogo.
Το κουτί φόρτισης ακουστικών TWS είναι ένα ιδανικό σενάριο ασύρματης φόρτισης χαμηλής κατανάλωσης. Τα ασύρματα ακουστικά Bluetooth TWS που υποστηρίζουν ασύρματη φόρτιση έχουν μια ενσωματωμένη μονάδα λήψης ασύρματης φόρτισης στο κουτί φόρτισης, η οποία μπορεί να τοποθετηθεί στον ασύρματο φορτιστή για φόρτιση όπως ένα κινητό τηλέφωνο ασύρματης φόρτισης, πραγματοποιώντας ασύρματη φόρτιση. Η "πραγματικά ασύρματη" λειτουργία του Bluetooth συν ασύρματη φόρτιση έχει καλύτερη εμπειρία χρήστη και θεωρείται η απόλυτη μορφή των πραγματικών ασύρματων ακουστικών Bluetooth TWS.
Τώρα τα ακουστικά TWS χωρίζονται χονδρικά σε τύπους semi-in-ear με μακριές λαβές και σχήματα φύτρων κοχλιακού τύπου στο σχεδιασμό της κεφαλής των ακουστικών. Το σχήμα των ακουστικών είναι σχετικά περιορισμένο, επομένως ο σχεδιασμός της φόρτισης και της φόρτισης έχει γίνει ένα σημείο ανακάλυψης. Η εικόνα είναι σωστή Η θήκη φόρτισης έχει κάνει μια μικρή καινοτομία, χρησιμοποιώντας μια διαδικασία χύτευσης με έγχυση δύο χρωμάτων, μια σκοτεινή και διαφανή εμφάνιση και την εσωτερική σχεδίαση υφής και με την οθόνη ισχύος, δημιουργώντας μια αίσθηση υψηλής ποιότητας, υψηλής τεχνολογίας!
Πώς να ξεπεράσετε τις επτά σχεδιαστικές προκλήσεις των ακουστικών TWS;
Ακολουθούν ορισμένες συμβουλές που θα σας βοηθήσουν να λύσετε μερικές από τις πιο δύσκολες προκλήσεις στη σχεδίαση των ακουστικών TWS, από την ελαχιστοποίηση της απώλειας ενέργειας έως την επέκταση του χρόνου αναμονής.
Από την κυκλοφορία των Apple AirPods το 2016, η αγορά του πραγματικού ασύρματου στερεοφωνικού (TWS) έχει αναπτυχθεί κατά περισσότερο από 50 τοις εκατό ετησίως. Οι κατασκευαστές αυτών των δημοφιλών ασύρματων ακουστικών προσθέτουν γρήγορα περισσότερες δυνατότητες (ακύρωση θορύβου, ύπνου και παρακολούθηση της υγείας) για να διαφοροποιήσουν τα προϊόντα τους, αλλά η προσθήκη όλων αυτών των χαρακτηριστικών μπορεί να είναι δύσκολη από την άποψη της μηχανικής σχεδιασμού. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσω αυτές τις προκλήσεις.
Πρόκληση 1: Ελαχιστοποιήστε την απώλεια ισχύος μέσω αποτελεσματικής φόρτισης
Μια σημαντική πρόκληση με τα ασύρματα ακουστικά είναι η επίτευξη μεγαλύτερου χρόνου συνολικής αναπαραγωγής όταν τα ακουστικά στη θήκη μπαταριών είναι πλήρως φορτισμένα. Σε αυτήν την περίπτωση, ο μεγαλύτερος συνολικός χρόνος αναπαραγωγής μεταφράζεται στον αριθμό των κύκλων που μια θήκη μπορεί να φορτίσει τα ακουστικά καθ' όλη τη διάρκεια ζωής τους. Ο στόχος είναι να καταστεί δυνατή η αποτελεσματική φόρτιση, ελαχιστοποιώντας την κατανάλωση ενέργειας από τη θήκη φόρτισης στα ακουστικά.
Η θήκη φόρτισης εξάγει μια τάση από την μπαταρία ως είσοδο για τη φόρτιση των ακουστικών. Η τυπική λύση είναι ένας μετατροπέας ενίσχυσης με σταθερή έξοδο 5 V, που είναι μια απλή λύση αλλά δεν βελτιστοποιεί την απόδοση φόρτισης. Επειδή οι μπαταρίες των ακουστικών είναι τόσο μικρές, οι σχεδιαστές χρησιμοποιούν συχνά γραμμικούς φορτιστές. Όταν χρησιμοποιείτε μια σταθερή είσοδο 5 V, η απόδοση φόρτισης είναι πολύ χαμηλή - περίπου (V σε - 5 νυχτερίδες) / 5 in - και προκαλεί μεγάλη πτώση τάσης στην μπαταρία. Συνδέστε μια μέση τάση μπαταρίας ιόντων λιθίου 3,6 V (μισοεκφορτισμένη) και η είσοδος 5 V είναι μόνο 72 τοις εκατό αποδοτική.
Αντίθετα, η χρήση ενός μετατροπέα ενίσχυσης ή buck-boost ρυθμιζόμενης εξόδου στη θήκη φόρτισης παράγει τάση μόνο ελαφρώς πάνω από το τυπικό εύρος τάσης των ακουστικών. Αυτό απαιτεί επικοινωνία από τη θήκη φόρτισης στα ακουστικά, η οποία επιτρέπει στην τάση εξόδου της θήκης φόρτισης να προσαρμόζεται δυναμικά στην μπαταρία των ακουστικών καθώς αυξάνεται η τάση. Αυτό θα ελαχιστοποιήσει τις απώλειες, θα αυξήσει την απόδοση φόρτισης και θα μειώσει σημαντικά τη θερμότητα.
Πρόκληση 2: Μειώστε τη συνολική λύση χωρίς να καταργήσετε τη λειτουργικότητα
Η δεύτερη πρόκληση είναι η γενική πρόκληση του σχεδιασμού μικρών μπαταριών - πώς να σχεδιάσετε μια μπαταρία που είναι τόσο μικρή σε μέγεθος όσο και μεγάλη σε λειτουργία. Η απλή λύση εδώ είναι να επιλέξετε μια συσκευή με πιο ενσωματωμένα εξαρτήματα. Π.χ:
Ένας γραμμικός φορτιστής υψηλής απόδοσης που ενσωματώνει πρόσθετες ράγες ισχύος για την τροφοδοσία του κύριου μπλοκ συστήματος και είναι μια καλή επιλογή για ασύρματα ακουστικά.
Για μονάδες χαμηλής τάσης που απαιτούν ενέργεια, όπως επεξεργαστές και μονάδες ασύρματης επικοινωνίας, οι ράγες ανταλλαγής είναι η καλύτερη επιλογή για αποδοτικότητα.
Για μπλοκ αισθητήρων που δεν απαιτούν πολλή ισχύ, αλλά χρειάζονται χαμηλό θόρυβο, σκεφτείτε να χρησιμοποιήσετε έναν ρυθμιστή χαμηλής απελευθέρωσης.
Εάν τα ασύρματα ακουστικά σας ενσωματώνουν αναλογικούς μπροστινούς αισθητήρες για τη μέτρηση του οξυγόνου του αίματος και του καρδιακού παλμού, μπορεί επίσης να χρειαστείτε έναν μετατροπέα ενίσχυσης.
Ενσωματώστε πρόσθετες ράγες τροφοδοσίας στον φορτιστή για να μειώσετε τον παράγοντα μορφής του. Ωστόσο, υπάρχει πάντα μια αντιστάθμιση μεταξύ της ενσωμάτωσης περισσότερων για μικρότερα μεγέθη και της χρήσης πιο διακριτών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (IC) για ευελιξία.
Πρόκληση 3: Παράταση του χρόνου αναμονής
Ο χρόνος αναμονής είναι σημαντικός επειδή οι καταναλωτές περιμένουν τα ακουστικά να παίζουν μουσική ακόμα και μετά από μεγάλες περιόδους αδράνειας έξω από τη θήκη φόρτισης. Εξετάστε το ενδεχόμενο χρήσης μπαταριών ιόντων λιθίου υψηλότερης ενεργειακής πυκνότητας σε ακουστικά, τα οποία έχουν συνήθως υψηλότερες τάσεις, όπως 4,35 βολτ και 4,4 βολτ, έτσι ώστε να μπορεί να αποθηκευτεί περισσότερη ενέργεια. Η πλήρης φόρτιση αυξάνει επίσης τον χρόνο αναμονής. Ένας φορτιστής μπαταρίας με μικρό ρεύμα τερματισμού και υψηλή ακρίβεια θα βοηθήσει στην παράταση του χρόνου αναμονής. Εάν υπάρχει μεγάλη αλλαγή στις προδιαγραφές του ρεύματος τερματισμού, μπορεί να καταλήξετε με υψηλότερο ρεύμα τερματισμού, το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε πρόωρο τερματισμό και χαμηλή μπαταρία.
Μια μπαταρία 41mAh με τερματισμό 1mAh έναντι 4mAh. Εάν το ονομαστικό ρεύμα τερματισμού 1 mA ποικίλλει ευρέως και στην πραγματικότητα τερματίζεται στα 4 mA, η χωρητικότητα της μπαταρίας των 2 mAh θα παραμείνει ανεκμετάλλευτη. Το χαμηλότερο ρεύμα τερματισμού και η μεγαλύτερη ακρίβεια αυξάνουν την αποτελεσματική χωρητικότητα της μπαταρίας.
Το χαμηλό ρεύμα ηρεμίας (IQ) είναι επίσης σημαντικό για την παράταση του χρόνου αναμονής σε διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας. Ένα IC φορτιστή με διαδρομή τροφοδοσίας και ρεύμα σχεδόν μηδενικής λειτουργίας αποστολής θα εμποδίσει την εξάντληση της μπαταρίας πριν φτάσει το προϊόν στον καταναλωτή, επιτρέποντας την άμεση χρήση. Η διαδρομή ισχύος απαιτεί την τοποθέτηση τρανζίστορ φαινομένου πεδίου μετάλλου-οξειδίου-ημιαγωγού μεταξύ της μπαταρίας και του συστήματος για τη διαχείριση των διαδρομών του συστήματος και της μπαταρίας, αντίστοιχα.
Όταν τα ακουστικά παίζουν μουσική ή ρελαντί, η τρέχουσα κατανάλωση του συστήματος πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη. Βρίσκοντας φορτιστή με χαμηλή ελαχιστοποιώ και το I του συστήματος. Για παράδειγμα, οι φορτιστές μπαταριών απαιτούν συχνά ένα δίκτυο αντιστάσεων αρνητικού συντελεστή θερμοκρασίας (NTC) για τη μέτρηση της θερμοκρασίας της μπαταρίας.
Ορισμένες λύσεις στην αγορά δεν μπορούν να απενεργοποιήσουν το ρεύμα NTC όταν εργάζονται σε λειτουργία μπαταρίας. Είτε παρουσιάζουν υπερβολική διαρροή (η διαρροή μπορεί να ξεπεράσει τα 200μ όταν το δίκτυο NTC έχει 20 kΩ) είτε απαιτούν επιπλέον I/O και απενεργοποιήστε το με διακόπτη.
Πρόκληση 4: Σχεδιασμός Ασφαλείας
Οι κατασκευαστές συσκευασιών μπαταριών έχουν συχνά οδηγίες για τη φόρτιση των μπαταριών σε διαφορετικές θερμοκρασίες και οι μπαταρίες πρέπει να παραμένουν σε αυτές τις ασφαλείς περιοχές λειτουργίας κατά τη χρήση. Ορισμένα απαιτούν ένα τυπικό προφίλ όπου η φόρτιση σταματά εκτός του ορίου θερμότητας και ψυχρής θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, άλλες εταιρείες μπορεί να απαιτούν συγκεκριμένες πληροφορίες από την Ιαπωνική Ένωση Ηλεκτρονικών και Πληροφορικής Τεχνολογίας. Για να συμμορφωθείτε με αυτά τα προφίλ θερμοκρασίας, αναζητήστε ένα προφίλ με την απαραίτητη ενσωματωμένη ή κάποια δυνατότητα προγραμματισμού I twoC. Τα BQ21061 και BQ25155 διαθέτουν καταχωρητές για τη ρύθμιση του παραθύρου θερμοκρασίας και τις ενέργειες που πρέπει να γίνουν εντός ενός συγκεκριμένου εύρους θερμοκρασίας.
Το κλείδωμα χαμηλής τάσης μπαταρίας (UVLO) είναι ένα άλλο χαρακτηριστικό ασφαλείας που αποτρέπει την υπερβολική εκφόρτιση της μπαταρίας και συνεπώς την καταπόνηση. Μόλις η τάση της μπαταρίας πέσει κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο, το UVLO διακόπτει τη διαδρομή εκφόρτισης. Για παράδειγμα, για μια μπαταρία Li-Ion φορτισμένη στα 4,2V, ένα κοινό όριο αποκοπής είναι 2,8V έως 3V.
Πρόκληση 5: Διασφάλιση αξιοπιστίας συστήματος
Η χαμηλή αξιοπιστία του συστήματος έκανε ορισμένους μικροεπεξεργαστές να κολλήσουν όταν ο χρήστης συνδέθηκε στον προσαρμογέα. Αν και αυτό είναι σπάνιο, απαιτεί επαναφορά της ισχύος του συστήματος, έτσι ώστε ο μικροεπεξεργαστής να μπορεί να επανεκκινήσει και να επιστρέψει στο κανονικό. Ορισμένοι φορτιστές μπαταριών ενσωματώνουν χρονοδιακόπτη επαναφοράς υλικού που εκτελεί επαναφορά υλικού ή κύκλο τροφοδοσίας (αν όχι) ανιχνεύονται δύο συναλλαγές C κάποια στιγμή μετά τη σύνδεση του προσαρμογέα από τον χρήστη. Μετά από επαναφορά συστήματος, η διαδρομή τροφοδοσίας αποσυνδέεται και επανασυνδέεται στην μπαταρία και το σύστημα.
Παρόμοια με τον χρονοδιακόπτη παρακολούθησης επαναφοράς υλικού, ο παραδοσιακός χρονοδιακόπτης παρακολούθησης λογισμικού βοηθά επίσης στη βελτίωση της αξιοπιστίας του συστήματος επαναφέροντας τον καταχωρητή φορτιστή στην προεπιλεγμένη τιμή του μετά από μια περίοδο χωρίς συναλλαγές στο twoC. Αυτή η επαναφορά αποτρέπει τη λανθασμένη φόρτιση της μπαταρίας όταν ο μικροεπεξεργαστής βρίσκεται σε ελαττωματική κατάσταση.
Πρόκληση 6: Παρακολουθήστε τις καλύτερες περιοχές λειτουργίας
Η έκτη πρόκληση είναι η παρακολούθηση των παραμέτρων του συστήματος, η οποία μπορεί να επιτευχθεί αποτελεσματικά με έναν ενσωματωμένο μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό υψηλής ακρίβειας (ADC). Η μέτρηση της τάσης της μπαταρίας είναι μια καλή παράμετρος επειδή παρέχει μια βολική, αν και κατά προσέγγιση, αναπαράσταση της κατάστασης φόρτισης της μπαταρίας. Κατά κανόνα, εάν η κατάσταση φόρτισης που απαιτείται από τα ασύρματα ακουστικά είναι μεγαλύτερη από ±5 τοις εκατό .
Ο ενσωματωμένος ADC υψηλής ακρίβειας σάς επιτρέπει επίσης να παρακολουθείτε και να ενεργείτε σχετικά με τη θερμοκρασία της μπαταρίας και της πλακέτας κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση. Άλλες παράμετροι που μπορεί να παρακολουθεί ο φορτιστής περιλαμβάνουν την τάση/ρεύμα εισόδου, την τάση/ρεύμα φόρτισης και την τάση συστήματος. Ο ενσωματωμένος συγκριτής βοηθά επίσης εύκολα στην παρακολούθηση συγκεκριμένων παραμέτρων και στην αποστολή διακοπών στον κεντρικό υπολογιστή. Εάν η παράμετρος βρίσκεται εντός του κανονικού εύρους και ο συγκριτής δεν ενεργοποιείται, ο κεντρικός υπολογιστής δεν χρειάζεται να διαβάζει συνεχώς την παράμετρο που ενδιαφέρει. Το BQ25155 είναι ένα καλό παράδειγμα για την παρακολούθηση των παραμέτρων του συστήματος καθώς διαθέτει ADC και συγκριτικό.
Πρόκληση 7: Απλοποιήστε την ασύρματη συνδεσιμότητα
Ορισμένα ασύρματα ακουστικά διαθέτουν μια λειτουργία που εμφανίζει την κατάσταση φόρτισης των ακουστικών και της θήκης φόρτισης στο smartphone όταν τα ακουστικά βρίσκονται στη θήκη φόρτισης και το καπάκι είναι ανοιχτό. Για να το υποστηρίξετε αυτό, τα ακουστικά πρέπει να αναφέρουν την κατάσταση φόρτισης μόλις συνδεθούν στη θήκη, ακόμα κι αν η μπαταρία έχει εξαντληθεί. Το κύριο τσιπ πρέπει να είναι σε λειτουργία για να αναφέρει την κατάσταση φόρτισης, επομένως σε αυτήν την περίπτωση, η εξωτερική πηγή τροφοδοσίας πρέπει να τροφοδοτεί τα ακουστικά. Ένας φορτιστής με διαδρομή τροφοδοσίας επιτρέπει στο σύστημα να λαμβάνει υψηλότερη τάση από το VBU ενώ φορτίζει την μπαταρία σε χαμηλότερη τάση.
Αρκετές λειτουργίες του ασύρματου φορτιστή ακουστικών (όπως λειτουργία αποστολής, επαναφορά ισχύος συστήματος, UVLO μπαταρίας, ακριβές ρεύμα τερματικού και άμεση αναφορά κατάστασης φόρτισης) δεν είναι δυνατές χωρίς τη δυνατότητα διαδρομής ισχύος, η οποία απαιτεί την τοποθέτηση της μπαταρίας και του συστήματος A MOSFET στο ενδιάμεσο για τη διαχείριση του συστήματος και των διαδρομών της μπαταρίας ξεχωριστά. Το σχήμα 5 απεικονίζει τον φορτιστή με και χωρίς διαδρομή τροφοδοσίας.
Οι διακόπτες και οι γραμμικοί φορτιστές φαίνονται στη σχεδίαση της θήκης φόρτισης ανάλογα με το μέγεθος της μπαταρίας και τον ρυθμό φόρτισης. Οι φορτιστές μεταγωγής είναι πιο αποδοτικοί και παράγουν λιγότερη θερμότητα, κάτι που είναι σημαντικό για υψηλά ρεύματα 700mA και άνω. Οι φορτιστές μεταγωγής συνήθως διαθέτουν μια ενσωματωμένη λειτουργία ενίσχυσης ή παρακολούθησης που ενισχύει την τάση της μπαταρίας και παρέχει την τάση εισόδου για τη φόρτιση των ακουστικών. Οι γραμμικοί φορτιστές είναι επίσης μια καλή επιλογή για κουτιά μπαταρίας χαμηλού ρεύματος, καθώς προσφέρουν χαμηλό κόστος και χαμηλό IQ.
Τα επαναφορτιζόμενα ακουστικά βαρηκοΐας παρουσιάζουν παρόμοιες σχεδιαστικές προκλήσεις. Είναι συνήθως μικρότερα από τα ακουστικά, έτσι ώστε να είναι αόρατα και επομένως απαιτούν περισσότερη ενσωμάτωση ισχύος σε μικρότερη περιοχή. Απαιτούν επίσης ράγες ισχύος χαμηλού θορύβου, συμπεριλαμβανομένης μιας τοπολογίας πυκνωτή μεταγωγής, για ανώτερη ευκρίνεια ήχου.