作者：
Josh Fankhauser, Maxim Integrated可穿戴電源管理產(chǎn)品業(yè)務(wù)經(jīng)理
Michael Jackson, Maxim Integrated首席作者
真無(wú)線耳機(jī)常常使用3個(gè)(或更多)引腳與其充電盒連接，用于傳輸數(shù)據(jù)和電源。額外的引腳則需要更大的空間，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致可靠性隱患。此外，耳機(jī)電池充電期間常采用固定電壓，該方法會(huì)引起有害發(fā)熱。本設(shè)計(jì)方案中，我們?cè)敿?xì)考察了這些方法的缺點(diǎn)，然后提出一種采用兩片IC解決這些問(wèn)題的混合方法。
在東方文化中，大耳朵象征著好運(yùn)和財(cái)富。遺憾的是，世界上大部分人都沒(méi)有與生俱來(lái)的好運(yùn)和財(cái)富——每個(gè)人耳朵的形狀與大小都不盡相同。真無(wú)線耳機(jī)(圖1)制造商當(dāng)然不能指望每位用戶(hù)都長(zhǎng)著一對(duì)能夠自如佩戴耳機(jī)的大耳朵，相反，他們需要攻克一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)：耳機(jī)能夠適應(yīng)各種大小和形狀的雙耳，同時(shí)讓用戶(hù)感到佩戴舒適。
圖1(a). 真無(wú)線耳機(jī)。圖1(b). 真無(wú)線耳機(jī)及其充電盒
尺寸約束不是他們唯一的挑戰(zhàn)。從本質(zhì)上講，真無(wú)線耳機(jī)必然是可重復(fù)充電的。然而，如果充電效率不高，耳機(jī)會(huì)快速發(fā)熱，達(dá)到高溫，從而限制了其充電速度，并且使其佩戴不舒適。本設(shè)計(jì)方案中，我們討論無(wú)線耳機(jī)電池充電的管理方式，以及將這些微小外殼內(nèi)的占位面積最小化所面臨的挑戰(zhàn)。我們提出一種利用IC來(lái)節(jié)省空間的途徑，該IC采用創(chuàng)新的方法來(lái)管理耳機(jī)與其充電盒之間的電源和數(shù)據(jù)傳輸。最后，我們介紹一款DC-DC轉(zhuǎn)換器IC，該IC能夠自適應(yīng)優(yōu)化電池充電條件，從而最大程度減小以熱形式浪費(fèi)的功率，有助于縮短充電時(shí)間。
真無(wú)線耳機(jī)被放入充電盒時(shí)，其中的耳機(jī)開(kāi)始充電。圖2所示為該配置方案的簡(jiǎn)化框圖。
圖2. 耳機(jī)和充電盒簡(jiǎn)化圖
耳機(jī)制造商常常使用3個(gè)(或更多)引腳接口來(lái)管理電池充電過(guò)程。兩個(gè)引腳用于充電，其他引腳提供充電盒和耳機(jī)之間的通信(或數(shù)據(jù))通道。該通道用于在充電盒和耳機(jī)中跟蹤電池的狀態(tài)，意味著用戶(hù)和系統(tǒng)都能夠持續(xù)獲得充電過(guò)程狀態(tài)的相關(guān)信息。該通信接口也可用于設(shè)備固件升級(jí)以及/或者工廠調(diào)試。有些耳機(jī)型號(hào)使用專(zhuān)用的(pogo)引腳來(lái)檢測(cè)耳機(jī)是否被放入充電盒。雖然有些制造商使用霍爾效應(yīng)傳感器，以避免使用專(zhuān)用pogo引腳，但這要求充電盒中具有額外附加元件。
為了在微小的耳機(jī)內(nèi)部容納附加引腳，無(wú)論出于什么目的，都為制造商帶來(lái)了挑戰(zhàn)，不僅限于空間，而且關(guān)乎可靠性，因?yàn)槊總€(gè)引腳在制造過(guò)程中都會(huì)引入潛在故障點(diǎn)。理想情況下，應(yīng)只使用兩個(gè)引腳將耳機(jī)連接到充電盒。實(shí)現(xiàn)以上目的的一種途徑是使用兩個(gè)傳輸電源的引腳和一路獨(dú)立的Bluetooth?通道實(shí)現(xiàn)與充電盒之間的數(shù)據(jù)通信。然而，這要求在充電盒內(nèi)擁有額外的藍(lán)牙收發(fā)器，會(huì)占用甚至更大的空間和功耗。
對(duì)于耳機(jī)與其充電盒通信，一種更高效的方法是將數(shù)據(jù)和電源傳輸組合到單個(gè)通道，有效地將數(shù)據(jù)信號(hào)疊加到電源上。這被稱(chēng)為“電力線通信”(類(lèi)似于電源插座被用于擴(kuò)展有線網(wǎng)絡(luò)通信)。MAX20340實(shí)現(xiàn)了這種技術(shù)的創(chuàng)新，提供雙向直流電力線通信接口，適用于空間受限的便攜式消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備。利用這種方法，引腳數(shù)量可減少到2個(gè)，堪稱(chēng)完美的方案。圖3所示為MAX20340直流電力線通信管理IC被集成到耳機(jī)及其充電盒的方式，支持速率高達(dá)166.7kbps的雙向數(shù)據(jù)傳輸。主機(jī)IC位于充電盒內(nèi)，每個(gè)耳機(jī)內(nèi)各有可尋址的從機(jī)IC。
圖3. 利用MAX20340實(shí)現(xiàn)耳機(jī)和充電盒之間的數(shù)據(jù)和電源傳輸
接口僅使用兩個(gè)引腳，有效減少故障點(diǎn)數(shù)量，從而提高可靠性。MAX20340擁有其他諸多優(yōu)勢(shì)。器件的最大充電電流為1.2A，電池充電更快速。器件具有自動(dòng)從機(jī)檢測(cè)功能，意味著既不需要霍爾效應(yīng)傳感器，也不需要pogo引腳，充電盒即可識(shí)別耳機(jī)是否已放入。器件包括高ESD保護(hù)，無(wú)需附加TVS二極管。IC采用9焊球、0.4mm焊距、1.358mm x 1.358mm晶圓級(jí)封裝(WLP)。
為防止發(fā)熱，耳機(jī)電池充電應(yīng)盡量高效。通過(guò)分析這一過(guò)程，會(huì)發(fā)現(xiàn)不為人知的功耗源。電池盒中的鋰離子電池(典型為3.7V)通常利用DC-DC轉(zhuǎn)換器IC被升壓到5V，然后被耳機(jī)中的線性充電器用于為電池充電。然而，即使耳機(jī)電池電壓在充電期間升高，但始終保持低于5V。這種過(guò)高電壓會(huì)造成功率被以熱量的形式浪費(fèi)掉。為防止浪費(fèi)，在充電過(guò)程中，線性充電器的輸入(由升壓轉(zhuǎn)換器提供)與電池電壓之間的電壓差，應(yīng)隨著電池電壓升高而改變，從而持續(xù)實(shí)現(xiàn)最小化。
圖4所示的升/降壓轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)這一目的，該IC采用稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)的技術(shù)
圖4. MAX20343升/降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，帶DVS
圖5所示為MAX20343如何與MAX20340配合使用，以降低散熱。MAX20340間歇地查詢(xún)耳機(jī)電池電壓，并將該信息提供給充電盒側(cè)的微控制器。然后微控制器調(diào)節(jié)MAX20343的輸出電壓，使其與耳機(jī)電池電壓加上線性充電器所需的附加裕量相匹配。這樣的優(yōu)勢(shì)是最大程度降低充電盒側(cè)電池的能源浪費(fèi)，降低耳機(jī)內(nèi)的散熱。散熱降低就意味著耳機(jī)能夠以較快的速率進(jìn)行充電。MAX20343可選擇16焊球、1.77mm x 2.01mm、0.4mm焊距、WLP封裝，或12引腳、2.50mm x 2.50mm、0.5mm焊距FC2QFN封裝。
圖5. 使用MAX20340和MAX20343進(jìn)行充電
真無(wú)線耳機(jī)體積微小，帶來(lái)了諸多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。我們已經(jīng)看到，除電源傳輸介質(zhì)外，真無(wú)線系統(tǒng)需要一種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)耳機(jī)和充電盒之間的雙向數(shù)據(jù)通信。許多型號(hào)的耳機(jī)使用額外引腳來(lái)提供數(shù)據(jù)通道，同時(shí)也通過(guò)專(zhuān)用的pogo引腳使充電盒能夠識(shí)別耳機(jī)是否已放入。然而，額外引腳會(huì)占用有限的空間，增加附加故障點(diǎn)。這會(huì)導(dǎo)致制造過(guò)程中的可靠性問(wèn)題。我們也討論了耳機(jī)充電過(guò)程中的能源浪費(fèi)形式。我們介紹了能夠克服這些挑戰(zhàn)的兩款I(lǐng)C。MAX20340將電源和數(shù)據(jù)傳輸組合到一個(gè)通道，意味著只需兩個(gè)引腳即可實(shí)現(xiàn)耳機(jī)與其充電盒的連接。MAX20343通過(guò)提高電池充電過(guò)程的效率，減少發(fā)熱。無(wú)論是配合使用還是獨(dú)立使用，這些IC都是類(lèi)似應(yīng)用的理想選擇，例如助聽(tīng)器、游戲手柄、手持無(wú)線電對(duì)講機(jī)、銷(xiāo)售終端。
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