Como projetar um pino Pogo de carregamento para fones de ouvido TWS?
O fone de ouvido Bluetooth sem fio TWS é um dos produtos vestíveis inteligentes preferidos por homens, mulheres e crianças nos últimos anos. É pequeno e requintado, fácil de carregar e tem formas diferentes. Pode ser carregado colocando-o no compartimento de carregamento. Um dos principais componentes do compartimento de carregamento do fone de ouvido Bluetooth TWS é o pogopin pogo pin. Os fones de ouvido TWS podem ser carregados através do contato entre a extremidade fêmea do pino pogo e a extremidade macho no compartimento de carregamento. 80% das marcas no mercado optam por usar o pogo pin.
A caixa de carregamento do fone de ouvido TWS é um cenário ideal de carregamento sem fio de baixa potência. O fone de ouvido Bluetooth sem fio TWS que suporta carregamento sem fio possui um módulo receptor de carregamento sem fio embutido na caixa de carregamento, que pode ser colocado no carregador sem fio para carregar como um celular de carregamento sem fio, realizando o carregamento sem fio. A função "verdadeiramente sem fio" do Bluetooth mais o carregamento sem fio oferece uma melhor experiência ao usuário e é considerada a melhor forma de fone de ouvido Bluetooth sem fio verdadeiro da TWS.
Agora, os fones de ouvido TWS são divididos aproximadamente em tipos semi-in-ear com alças longas e formas de broto de feijão do tipo coclear no design da cabeça do fone de ouvido. A forma dos fones de ouvido é relativamente limitada, portanto, o design de carregamento e carregamento se tornou um ponto de avanço. A imagem está certa O compartimento de carregamento fez uma pequena inovação, usando um processo de moldagem por injeção de duas cores, uma aparência escura e transparente e design de textura interna e com o display de energia, criando uma sensação de alta qualidade e alta tecnologia!
Como superar sete desafios de design dos fones de ouvido TWS?
Aqui estão algumas dicas para ajudar a resolver alguns dos desafios mais difíceis no design de fones de ouvido TWS, desde minimizar a perda de energia até estender o tempo de espera.
Desde o lançamento dos Apple AirPods em 2016, o verdadeiro mercado de estéreo sem fio (TWS) cresceu mais de 50% ao ano. Os fabricantes desses populares fones de ouvido sem fio estão adicionando rapidamente mais recursos (cancelamento de ruído, sono e monitoramento de saúde) para diferenciar seus produtos, mas adicionar todos esses recursos pode ser difícil do ponto de vista da engenharia de design. Neste artigo, analisarei esses desafios.
Desafio 1: Minimize a perda de energia por meio de carregamento eficiente
Um grande desafio com fones de ouvido sem fio é conseguir um tempo total de reprodução maior quando os fones de ouvido no compartimento da bateria estão totalmente carregados. Nesse caso, um tempo de reprodução total mais longo se traduz no número de ciclos que um estojo pode carregar os fones de ouvido durante toda a vida útil. O objetivo é permitir um carregamento eficiente, minimizando o consumo de energia do estojo de carregamento para os fones de ouvido.
O estojo de carregamento emite uma voltagem da bateria como entrada para carregar os fones de ouvido. A solução típica é um conversor boost com saída fixa de 5V, que é uma solução simples, mas não otimiza a eficiência de carregamento. Como as baterias dos fones de ouvido são muito pequenas, os designers costumam usar carregadores lineares. Ao usar uma entrada fixa de 5V, a eficiência de carregamento é muito baixa - cerca de (V em - 5 morcegos) / 5 pol - e produz uma grande queda de tensão na bateria. Conecte uma voltagem média de bateria de íon de lítio de 3,6 V (descarregada pela metade) e a entrada de 5 V é apenas 72% eficiente.
Por outro lado, o uso de um conversor de aumento de saída ajustável ou buck-boost no estojo de carregamento produz uma tensão apenas um pouco acima da faixa de tensão típica dos fones de ouvido. Isso requer comunicação do estojo de carregamento com os fones de ouvido, o que permite que a tensão de saída do estojo de carregamento se ajuste dinamicamente à bateria dos fones de ouvido à medida que a tensão aumenta. Isso minimizará as perdas, aumentará a eficiência do carregamento e reduzirá significativamente o calor.
Desafio 2: Reduza a solução geral sem remover a funcionalidade
O segundo desafio é o desafio geral do projeto de baterias pequenas - como projetar uma bateria que seja pequena em tamanho e grande em função. A solução simples aqui é escolher um dispositivo com componentes mais integrados. Por exemplo:
Um carregador linear de alto desempenho que integra trilhos de alimentação adicionais para alimentar o bloco principal do sistema e é uma boa opção para fones de ouvido sem fio.
Para módulos de baixa tensão que consomem muita energia, como processadores e módulos de comunicação sem fio, os trilhos de troca são a melhor escolha para eficiência.
Para blocos de sensores que não exigem muita energia, mas precisam de baixo ruído, considere o uso de um regulador de baixa queda.
Se seus fones de ouvido sem fio integram sensores front-end analógicos para medir oxigênio no sangue e frequência cardíaca, você também pode precisar de um conversor boost.
Integre trilhos de alimentação adicionais no carregador para tornar seu formato menor. No entanto, sempre há uma compensação entre integrar mais para tamanhos menores e usar mais circuitos integrados discretos (ICs) para flexibilidade.
Desafio 3: Estenda o tempo de espera
O tempo de espera é importante porque os consumidores esperam que os fones de ouvido toquem música mesmo após longos períodos de inatividade fora do estojo de carregamento. Considere usar baterias de íons de lítio de alta densidade de energia em fones de ouvido, que normalmente têm voltagens mais altas, como 4,35 volts e 4,4 volts, para que mais energia possa ser armazenada. Uma carga completa também aumenta o tempo de espera. Um carregador de bateria com uma pequena corrente de terminação e alta precisão ajudará a prolongar o tempo de espera. Se houver uma grande mudança na especificação da corrente de terminação, você pode acabar com uma corrente de terminação mais alta, o que pode levar a uma terminação prematura e a uma bateria fraca.
Uma bateria de 41mAh terminou em 1mAh versus 4mAh. Se a corrente de terminação nominal de 1 mA variar muito e realmente terminar em 4 mA, a capacidade da bateria de 2 mAh permanecerá inexplorada. Corrente de terminação mais baixa e maior precisão aumentam a capacidade efetiva da bateria.
A baixa corrente quiescente (IQ) também é importante para prolongar o tempo de espera em diferentes modos de operação. Um carregador IC com um caminho de alimentação e corrente de modo de envio quase zero evitará que a bateria descarregue antes que o produto chegue ao consumidor, permitindo o uso imediato. O caminho de energia requer a colocação de transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico entre a bateria e o sistema para gerenciar os caminhos do sistema e da bateria, respectivamente.
Quando os fones de ouvido estão tocando música ou inativos, o consumo atual do sistema precisa ser o menor possível. Encontrar um carregador com baixo também minimizo o I do sistema. Por exemplo, carregadores de bateria geralmente exigem uma rede de resistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC) para medir a temperatura da bateria.
Algumas soluções do mercado não conseguem desligar a corrente NTC ao trabalhar em modo bateria. Eles vazam muito (o vazamento pode exceder 200µ quando a rede NTC tem 20 kΩ) ou exigem E/S extra e desligam com um interruptor.
Desafio 4: Projeto de Segurança
Os fabricantes de baterias geralmente têm diretrizes para carregar baterias em diferentes temperaturas, e as baterias devem permanecer dentro dessas áreas operacionais seguras durante o uso. Alguns exigem um perfil padrão onde o carregamento pára fora do limite de temperatura quente e fria. Por exemplo, outras empresas podem exigir informações específicas da Japan Electronics and Information Technology Association. Para cumprir estes perfis de temperatura, procure um perfil com a necessária programação incorporada ou alguma I twoC. O BQ21061 e o BQ25155 possuem registradores para definir a janela de temperatura e ações a serem tomadas dentro de uma faixa de temperatura específica.
O bloqueio de subtensão da bateria (UVLO) é outro recurso de segurança que evita que a bateria seja descarregada em excesso e, portanto, estressada. Uma vez que a tensão da bateria cai abaixo de um certo limite, o UVLO corta o caminho de descarga. Por exemplo, para uma bateria Li-Ion carregada a 4,2 V, um limite de corte comum é de 2,8 V a 3 V.
Desafio 5: Garantir a confiabilidade do sistema
A baixa confiabilidade do sistema fez com que alguns microprocessadores travassem quando o usuário conectou o adaptador. Embora isso seja raro, requer uma reinicialização da energia do sistema para que o microprocessador possa reiniciar e voltar ao normal. Alguns carregadores de bateria integram o temporizador watchdog de reinicialização de hardware que executa uma reinicialização de hardware ou ciclo de energia (se não) duas transações C são detectadas algum tempo depois que o adaptador é conectado pelo usuário. Após uma reinicialização do sistema, o caminho de alimentação é desconectado e reconectado à bateria e ao sistema.
Semelhante ao temporizador de watchdog de reinicialização de hardware, o temporizador de watchdog de software tradicional também ajuda a melhorar a confiabilidade do sistema redefinindo o registro do carregador para seu valor padrão após um período sem transações no twoC. Essa reinicialização evita que a bateria seja carregada incorretamente quando o microprocessador estiver em um estado defeituoso.
Desafio 6: Monitorar as Melhores Áreas Operacionais
O sexto desafio é monitorar os parâmetros do sistema, que podem ser alcançados com eficiência por um conversor analógico-digital (ADC) de alta precisão integrado. Medir a tensão da bateria é um bom parâmetro porque fornece uma representação conveniente, embora aproximada, do estado de carga da bateria. Como regra geral, se o estado de carga exigido pelo fone de ouvido sem fio for superior a ±5 por cento .
O ADC integrado de alta precisão também permite monitorar e agir na temperatura da bateria e da placa durante o carregamento e descarregamento. Outros parâmetros que o carregador pode monitorar incluem tensão/corrente de entrada, tensão/corrente de carga e tensão do sistema. O comparador integrado também ajuda convenientemente a monitorar parâmetros específicos e enviar interrupções para o host. Se o parâmetro estiver dentro do intervalo normal e o comparador não for acionado, o host não precisará ler constantemente o parâmetro de interesse. O BQ25155 é um bom exemplo para monitorar os parâmetros do sistema, pois possui ADC e comparador.
Desafio 7: Simplifique a conectividade sem fio
Alguns fones de ouvido sem fio têm um recurso que exibe o status de carregamento dos fones de ouvido e do estojo de carregamento no smartphone quando os fones de ouvido estão no estojo de carregamento e a tampa está aberta. Para suportar isso, os fones de ouvido devem informar o estado da carga assim que forem conectados ao estojo, mesmo que a bateria esteja descarregada. O chip principal deve estar ativado para relatar o estado de carregamento, portanto, neste caso, a fonte de alimentação externa deve estar alimentando os fones de ouvido. Um carregador com um caminho de alimentação permite que o sistema obtenha uma tensão mais alta da VBU enquanto carrega a bateria com uma tensão mais baixa.
Vários recursos do carregador de fone de ouvido sem fio (como modo de envio, redefinição de energia do sistema, UVLO da bateria, corrente precisa do terminal e relatório instantâneo do status da carga) não são possíveis sem a capacidade do caminho de alimentação, que requer a instalação da bateria e do sistema A MOSFET intermediários para gerenciar os caminhos do sistema e da bateria separadamente. A Figura 5 ilustra o carregador com e sem caminho de alimentação.
Carregadores de comutação e lineares podem ser vistos no design do estojo de carregamento, dependendo do tamanho da bateria e da taxa de carregamento. Os carregadores de comutação são mais eficientes e geram menos calor, o que é importante para altas correntes de 700mA e superiores. Os carregadores de comutação geralmente vêm com uma função de reforço ou acompanhamento integrado que aumenta a tensão da bateria e fornece a tensão de entrada para carregar os fones de ouvido. Os carregadores lineares também são uma boa opção para caixas de bateria de baixo nível de corrente, pois oferecem baixo custo e baixo QI.
Os aparelhos auditivos recarregáveis apresentam desafios de design semelhantes. Eles geralmente são menores que os fones de ouvido, de modo que são invisíveis e, portanto, exigem mais integração de energia em uma área menor. Eles também exigem trilhos de alimentação de baixo ruído, incluindo uma topologia de capacitor comutado, para maior clareza de áudio.