TWS藍(lán)牙耳機(jī)介紹及TI低功耗方案

TWS(True Wireless Stereo, 真無線立體聲)藍(lán)牙耳機(jī)是近年來異常火熱的音頻產(chǎn)品。它借助藍(lán)牙芯片，先將手機(jī)與主耳機(jī)建立無線連接，再建立起主耳機(jī)和副耳機(jī)的無線通訊，從而完全摒棄了傳統(tǒng)耳機(jī)間的線材連接，極大地方便了用戶的使用。另外，主耳機(jī)是可以單獨(dú)使用的，完全能夠勝任現(xiàn)有市場上的單顆藍(lán)牙耳機(jī)的應(yīng)用需求，使用功能非常強(qiáng)大。因此自從2016年9月蘋果發(fā)布第一款TWS耳機(jī)——Airpods以來，市場反響就非常熱烈，后續(xù)音頻廠商見此迅速跟進(jìn)，扎堆布局TWS藍(lán)牙耳機(jī)，使TWS耳機(jī)市場異彩紛呈。接下來Bluetooth 5 將帶來更精彩的使用者體驗(yàn)，新的充電盒設(shè)計(jì)會(huì)讓消費(fèi)者更為方便。

輕巧且便于攜帶是TWS耳機(jī)最為重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)，受限于充電盒和耳機(jī)的狹小空間，這兩部分所用的電池容量都無法做大，充電盒的容量一般在1000mAh以內(nèi)(其中又以200-700mAh范圍內(nèi)最為常見)，而耳機(jī)端的容量更小，絕大部分都小于100mAh。因此無論是充電盒還是耳機(jī)，都應(yīng)該重視系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品有較長的使用時(shí)間。

1、充電盒系統(tǒng)介紹
詳細(xì)的充電盒系統(tǒng)框圖如下：

圖1 TWS充電盒系統(tǒng)框圖

信號(hào)鏈部分，傳感器主要有霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)盒子的開合檢測。LED燈實(shí)現(xiàn)酷炫的顯示效果，藍(lán)牙芯片則可以將盒子信息傳送給手機(jī)，便于手機(jī)查看盒子電量信息。按鍵檢測可能需要一些邏輯器件，如SN74LVC1G74這種D觸發(fā)器，可以將按鍵的脈沖沿轉(zhuǎn)變成電平的翻轉(zhuǎn)，便于MCU記錄按鍵信息。

電源軌部分，一般輸入口做成5V的micro USB接口(蘋果的Airpods是lightning接口，也是5V)?？紤]到當(dāng)前有不少支持高壓快充的適配器，因此充電盒需要一個(gè)過壓保護(hù)芯片做誤插防護(hù)，再加一顆charger給鋰電池充電。目前很多的charger都集成了過壓保護(hù)的功能，但是過壓響應(yīng)時(shí)間大部分是us級(jí)別，建議額外再加一顆過壓保護(hù)芯片做快速保護(hù)。Charger方面，建議用帶power-path(即路徑管理)的charger，一方面，當(dāng)盒子電池電量較低時(shí)，插上適配器可以立刻得到較高的系統(tǒng)電壓，保證盒子可以立刻給低電量耳機(jī)供電；另一方面，當(dāng)快充電流設(shè)置的較小時(shí)，若負(fù)載需要恒定吃載(如驅(qū)動(dòng)LED燈)，這部分的負(fù)載很可能在charger的截止電流附近，不帶power-path功能的話charger很可能無法判斷電池已經(jīng)充滿，使用體驗(yàn)就會(huì)差一些。

電池一般都是單節(jié)鋰電池，一般是由電池包廠商提供，并且已經(jīng)將電量計(jì)和二次保護(hù)IC封包在內(nèi)，保證電池更可靠的工作。單節(jié)鋰電池的電源主要供給兩部分：一部分升壓到5V給耳機(jī)供電，另一部分降壓到3V及以下給盒子內(nèi)的MCU/Sensor等。

TI的產(chǎn)品非常豐富，能夠覆蓋充電盒絕大部分的需求，這里簡要推薦如下幾款I(lǐng)C，用在充電盒里再合適不過。推薦的指標(biāo)主要是封裝和功耗，功耗主要是IC在enable下的靜態(tài)電流。需要提一下的是，由于過壓保護(hù)和charger是在充電的時(shí)候才工作，此時(shí)adapter外掛，電源充足，因此這兩部分不要求Iq小，但應(yīng)該重視charger的漏電電流。

表1 TI充電盒方案匯總

2、耳機(jī)系統(tǒng)介紹

TWS一般有兩個(gè)耳機(jī)，他們的系統(tǒng)都是一樣的，詳細(xì)框圖如下：

圖2 耳機(jī)系統(tǒng)框圖

信號(hào)鏈部分，藍(lán)牙芯片負(fù)責(zé)接收手機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過耳放推動(dòng)耳機(jī)。傳感器主要是重力傳感器，檢測耳機(jī)晃動(dòng)等信號(hào)。目前藍(lán)牙芯片的集成度非常高，還能做一些調(diào)音的功能。

電源軌部分，受限于非常狹小的耳機(jī)空間，耳機(jī)端已經(jīng)不能做成micro USB接口的供電口，通常改成特定的金屬接觸片方式。耳機(jī)輸入電源來自于充電盒升壓穩(wěn)定后的5V，因此耳機(jī)端的輸入不存在過壓的風(fēng)險(xiǎn)，可以不必加過壓保護(hù)，直接經(jīng)過charger后就可以給單節(jié)鋰電池充電。同樣的，電池同樣由電池包廠商提供，集成電量計(jì)和二次保護(hù)。電池經(jīng)過LDO再給系統(tǒng)提供2.5V或者1.8V的電源。

與充電盒的設(shè)計(jì)相比，耳機(jī)端的空間更小，對(duì)芯片的封裝和功耗提出了更嚴(yán)格的要求。針對(duì)這種情況，TI在耳機(jī)端的方案匯總?cè)缦拢?/p>

表2 TI耳機(jī)方案匯總

3、TI參考設(shè)計(jì)

TI有一份針對(duì)TWS耳機(jī)的參考設(shè)計(jì)TIDA-050007，下圖是參考設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖。這個(gè)參考設(shè)計(jì)整機(jī)功耗只有18uA，并且采用簡易算法實(shí)現(xiàn)升壓的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，在充電盒電池電壓高于耳機(jī)電池電壓時(shí)升壓芯片TPS61099還可以進(jìn)入直通模式，使充電效率進(jìn)一步提高。

圖3 TIDA-050007參考設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖

圖4 TI線上資源無線耳機(jī)系統(tǒng)框圖

綜上所述，TWS耳機(jī)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮功耗、封裝和性能，使產(chǎn)品具有更好的體驗(yàn)結(jié)果。借助于TI豐富的資源，可以幫助你輕松實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。