چگونه یک پین شارژ Pogo برای Earbuds TWS طراحی کنیم؟
هدست بلوتوث بیسیم TWS یکی از محصولات پوشیدنی هوشمند است که در سالهای اخیر مورد علاقه مردان، زنان و کودکان قرار گرفته است. کوچک و نفیس است، به راحتی شارژ می شود و اشکال مختلفی دارد. با قرار دادن آن در محفظه شارژ می توان آن را شارژ کرد. یکی از اجزای اصلی در محفظه شارژ هدست بلوتوث TWS، پین pogopin pogo است. هدفون های TWS را می توان از طریق تماس بین انتهای مادگی پین پوگو و انتهای نر در محفظه شارژ شارژ کرد. 80 درصد از مارک های موجود در بازار استفاده از پین پوگو را انتخاب می کنند.
جعبه شارژ هدست TWS یک سناریوی ایده آل برای شارژ بی سیم کم مصرف است. هدست بلوتوث بیسیم TWS که از شارژ بیسیم پشتیبانی میکند دارای یک ماژول دریافت شارژ بیسیم داخلی در جعبه شارژ است که میتوان آن را روی شارژر بیسیم قرار داد تا مانند یک تلفن همراه شارژ بیسیم، شارژ بیسیم را انجام دهد. عملکرد "واقعی بی سیم" بلوتوث به همراه شارژ بی سیم تجربه کاربری بهتری دارد و به عنوان بهترین هدست بلوتوث بی سیم واقعی TWS در نظر گرفته می شود.
اکنون هدفونهای TWS تقریباً به انواع نیمه در گوش با دستههای بلند و شکلهای جوانه لوبیا حلزونی در طراحی سر هدفون تقسیم میشوند. شکل هدفون ها نسبتاً محدود است، بنابراین طراحی شارژ و شارژ به نقطه پیشرفت تبدیل شده است. تصویر درست است محفظه شارژ با استفاده از فرآیند قالب گیری تزریقی دو رنگ، ظاهری تیره و شفاف و طراحی بافت داخلی، و با نمایشگر قدرت، ایجاد حسی با کیفیت بالا و با تکنولوژی بالا، کمی نوآوری کرده است!
چگونه بر هفت چالش طراحی هدفون TWS غلبه کنیم؟
در اینجا چند نکته برای کمک به حل برخی از سختترین چالشها در طراحی هدفون TWS، از به حداقل رساندن اتلاف برق گرفته تا افزایش زمان آماده به کار وجود دارد.
از زمان عرضه ایرپادهای اپل در سال 2016، بازار استریو بی سیم واقعی (TWS) سالانه بیش از 50 درصد رشد کرده است. سازندگان این هدفون های بی سیم محبوب به سرعت در حال اضافه کردن ویژگی های بیشتر (حذف نویز، خواب و نظارت بر سلامت) برای متمایز کردن محصولات خود هستند، اما افزودن همه این ویژگی ها از نقطه نظر مهندسی طراحی می تواند دشوار باشد. در این مقاله به بررسی این چالش ها می پردازم.
چالش 1: از طریق شارژ کارآمد تلفات برق را به حداقل برسانید
یکی از چالشهای اصلی هدفونهای بیسیم، دستیابی به زمان پخش کلی طولانیتر زمانی است که هدفونهای گوشی در محفظه باتری کاملاً شارژ شوند. در این حالت، کل زمان پخش طولانیتر به تعداد چرخههایی است که یک کیس میتواند هدفونها را در طول عمر خود شارژ کند. هدف، فعال کردن شارژ کارآمد و در عین حال به حداقل رساندن مصرف انرژی از کیس شارژ به هدفون است.
کیس شارژ ولتاژی را از باتری به عنوان ورودی برای شارژ هدفون ها خارج می کند. راه حل معمولی یک مبدل تقویت کننده با خروجی 5 ولت ثابت است که راه حل ساده ای است اما بازده شارژ را بهینه نمی کند. از آنجایی که باتری های هدفون بسیار کوچک هستند، طراحان اغلب از شارژرهای خطی استفاده می کنند. هنگام استفاده از ورودی ثابت 5 ولت، راندمان شارژ بسیار کم است - حدود (V در - 5 خفاش) / 5 اینچ - و افت ولتاژ زیادی را روی باتری ایجاد می کند. ولتاژ متوسط باتری لیتیوم یونی 3.6 ولت (نیمه تخلیه) را به برق وصل کنید و ورودی 5 ولت تنها 72 درصد کارآمد است.
برعکس، استفاده از یک تقویت کننده خروجی قابل تنظیم یا مبدل باک بوست در کیس شارژ، ولتاژی را فقط کمی بالاتر از محدوده ولتاژ معمول هدفون ها تولید می کند. این نیاز به ارتباط از جعبه شارژ به هدفون دارد، که به ولتاژ خروجی کیس شارژ اجازه می دهد تا با افزایش ولتاژ، به صورت دینامیکی با باتری هدفون تنظیم شود. این امر تلفات را به حداقل می رساند، راندمان شارژ را افزایش می دهد و حرارت را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
چالش 2: راه حل کلی را بدون حذف عملکرد کاهش دهید
چالش دوم، چالش کلی طراحی باتری های کوچک است - چگونه می توان باتری را طراحی کرد که هم اندازه کوچک و هم از نظر عملکرد بزرگ باشد. راه حل ساده در اینجا انتخاب دستگاهی با اجزای یکپارچه تر است. به عنوان مثال:
یک شارژر خطی با کارایی بالا که ریل های برق اضافی را برای تغذیه بلوک اصلی سیستم ادغام می کند و انتخاب خوبی برای هدفون های بی سیم است.
برای ماژول های پر مصرف و کم ولتاژ مانند پردازنده ها و ماژول های ارتباط بی سیم، ریل های تعویض بهترین انتخاب برای کارایی هستند.
برای بلوکهای حسگر که به انرژی زیادی نیاز ندارند، اما به نویز کم نیاز دارند، از یک تنظیمکننده کم خروجی استفاده کنید.
اگر هدفون های بی سیم شما حسگرهای آنالوگ جلویی را برای اندازه گیری اکسیژن خون و ضربان قلب یکپارچه می کنند، ممکن است به یک مبدل تقویت کننده نیز نیاز داشته باشید.
ریل های برق اضافی را در شارژر ادغام کنید تا ضریب شکل آن کوچکتر شود. با این حال، همیشه بین یکپارچه سازی بیشتر برای اندازه های کوچکتر و استفاده از مدارهای مجتمع گسسته تر (ICs) برای انعطاف پذیری، تعادل وجود دارد.
چالش 3: زمان آماده به کار را افزایش دهید
زمان آماده به کار مهم است زیرا مصرف کنندگان انتظار دارند که هدفون حتی پس از مدت طولانی عدم فعالیت در خارج از جعبه شارژ، موسیقی پخش کند. استفاده از باتریهای لیتیوم یونی با چگالی انرژی بالاتر را در هدفونهای هدفون در نظر بگیرید که معمولاً ولتاژهای بالاتری مانند 4.35 ولت و 4.4 ولت دارند تا انرژی بیشتری ذخیره شود. شارژ کامل نیز زمان آماده به کار را افزایش می دهد. شارژر باتری با جریان پایانی کم و دقت بالا به افزایش زمان آماده به کار کمک می کند. اگر تغییر زیادی در مشخصات جریان پایانه وجود داشته باشد، ممکن است با جریان پایان بالاتری مواجه شوید که میتواند منجر به خاتمه زودرس و باتری کم شود.
باتری 41 میلی آمپر ساعتی با 1 میلی آمپر ساعت در مقابل 4 میلی آمپر ساعت خاتمه می یابد. اگر جریان پایان اسمی 1 میلی آمپر به طور گسترده ای متفاوت باشد و در واقع به 4 میلی آمپر ختم شود، ظرفیت باتری 2 میلی آمپری بدون بهره برداری باقی می ماند. جریان پایان کمتر و دقت بالاتر ظرفیت موثر باتری را افزایش می دهد.
جریان ساکن پایین (IQ) همچنین برای طولانی کردن زمان آماده به کار در حالت های مختلف عملکرد مهم است. یک آی سی شارژر با مسیر برق و جریان تقریباً صفر حالت ارسال، از تخلیه باتری قبل از رسیدن محصول به دست مصرف کننده جلوگیری می کند و امکان استفاده فوری را فراهم می کند. مسیر برق مستلزم قرار دادن ترانزیستورهای اثر میدان فلز-اکسید-نیمه هادی بین باتری و سیستم برای مدیریت مسیرهای سیستم و باتری است.
هنگامی که هدفون ها در حال پخش موسیقی یا بیکار هستند، مصرف فعلی سیستم باید تا حد امکان کم باشد. پیدا کردن یک شارژر با کم، I سیستم را نیز به حداقل می رساند. به عنوان مثال، شارژرهای باتری اغلب برای اندازه گیری دمای باتری به شبکه مقاومتی با ضریب دمای منفی (NTC) نیاز دارند.
برخی از راه حل های موجود در بازار نمی توانند جریان NTC را هنگام کار در حالت باتری خاموش کنند. آنها یا بیش از حد نشت می کنند (نشت می تواند بیش از 200μ باشد وقتی شبکه NTC 20 کیلو اهم دارد) یا نیاز به I/O اضافی دارند و آن را با یک سوئیچ خاموش می کنند.
چالش 4: طراحی امنیتی
سازندگان بستههای باتری معمولاً دستورالعملهایی برای شارژ باتریها در دماهای مختلف دارند و باتریها باید در طول استفاده در این مناطق عملیاتی امن باقی بمانند. برخی نیاز به یک پروفایل استاندارد دارند که در آن شارژ خارج از مرز دمای سرد و گرم متوقف شود. به عنوان مثال، شرکت های دیگر ممکن است اطلاعات خاصی را از انجمن الکترونیک و فناوری اطلاعات ژاپن درخواست کنند. برای مطابقت با این پروفایل های دما، به دنبال نمایه ای با قابلیت برنامه ریزی داخلی یا مقداری I twoC بگردید. BQ21061 و BQ25155 دارای رجیسترهایی برای تنظیم پنجره دما و اقداماتی هستند که باید در یک محدوده دمایی خاص انجام شوند.
قفل کم ولتاژ باتری (UVLO) یکی دیگر از ویژگی های ایمنی است که از تخلیه بیش از حد باتری و در نتیجه استرس جلوگیری می کند. هنگامی که ولتاژ باتری به زیر یک آستانه مشخص میرسد، UVLO مسیر تخلیه را قطع میکند. به عنوان مثال، برای یک باتری لیتیوم یونی که با ولتاژ 4.2 ولت شارژ می شود، یک آستانه قطع مشترک 2.8 تا 3 ولت است.
چالش 5: اطمینان از قابلیت اطمینان سیستم
قابلیت اطمینان پایین سیستم باعث میشود که وقتی کاربر آداپتور را وصل میکند، برخی از ریزپردازندهها گیر کنند. در حالی که این اتفاق نادر است، نیاز به تنظیم مجدد قدرت سیستم دارد تا ریزپردازنده بتواند دوباره راه اندازی شود و به حالت عادی بازگردد. برخی از شارژرهای باتری از تایمر بازنشانی سخت افزاری استفاده می کنند که بازنشانی سخت افزاری یا چرخه برق را انجام می دهد (اگر نه) دو تراکنش C زمانی پس از وصل شدن آداپتور توسط کاربر شناسایی می شود. پس از تنظیم مجدد سیستم، مسیر برق قطع می شود و دوباره به باتری و سیستم وصل می شود.
مشابه تایمر نظارتی بازنشانی سخت افزاری، تایمر نظارتی نرم افزار سنتی نیز با بازنشانی رجیستر شارژر به مقدار پیش فرض آن پس از یک دوره بدون تراکنش در دو سی، به بهبود قابلیت اطمینان سیستم کمک می کند. این تنظیم مجدد از شارژ نادرست باتری در زمانی که ریزپردازنده در وضعیت معیوب است جلوگیری می کند.
چالش 6: نظارت بر بهترین مناطق عملیاتی
چالش ششم نظارت بر پارامترهای سیستم است که می تواند به طور موثر توسط مبدل داخلی آنالوگ به دیجیتال (ADC) با دقت بالا به دست آید. اندازه گیری ولتاژ باتری پارامتر خوبی است زیرا نمایشی راحت و البته تقریبی از وضعیت شارژ باتری ارائه می دهد. به عنوان یک قاعده کلی، اگر وضعیت شارژ مورد نیاز هدست بی سیم بالاتر از ± 5 درصد باشد.
ADC داخلی با دقت بالا همچنین به شما این امکان را می دهد که دمای باتری و برد را در حین شارژ و دشارژ نظارت و اقدامات لازم را انجام دهید. پارامترهای دیگری که شارژر می تواند نظارت کند شامل ولتاژ/جریان ورودی، ولتاژ/جریان شارژ و ولتاژ سیستم است. مقایسه کننده داخلی همچنین به راحتی به نظارت بر پارامترهای خاص و ارسال وقفه ها به میزبان کمک می کند. اگر پارامتر در محدوده نرمال باشد و مقایسه کننده راه اندازی نشود، میزبان مجبور نیست دائماً پارامتر مورد نظر را بخواند. BQ25155 مثال خوبی برای نظارت بر پارامترهای سیستم است زیرا دارای ADC و مقایسه کننده است.
چالش 7: اتصال بی سیم را ساده کنید
برخی از هدفون های بی سیم دارای قابلیتی هستند که وضعیت شارژ گوشی و قاب شارژ گوشی هوشمند را زمانی که هدفون در جعبه شارژ قرار دارد و درب آن باز است، نمایش می دهد. برای پشتیبانی از این موضوع، هدفون باید به محض وصل شدن به قاب، وضعیت شارژ را گزارش کند، حتی اگر باتری آن خالی شده باشد. تراشه اصلی باید بیدار باشد تا وضعیت شارژ را گزارش کند، بنابراین در این مورد، منبع تغذیه خارجی باید هدفون ها را تغذیه کند. یک شارژر با یک مسیر برق، سیستم را قادر می سازد تا ولتاژ بالاتری از VBU دریافت کند در حالی که باتری را با ولتاژ پایین تر شارژ می کند.
چندین ویژگی شارژر هدفون بی سیم (مانند حالت حمل و نقل، تنظیم مجدد قدرت سیستم، UVLO باتری، جریان دقیق ترمینال و گزارش وضعیت شارژ فوری) بدون قابلیت مسیر برق امکان پذیر نیست، که نیاز به قرار دادن باتری و سیستم A MOSFET دارد. در این بین برای مدیریت مسیرهای سیستم و باتری به طور جداگانه. شکل 5 شارژر با و بدون مسیر برق را نشان می دهد.
شارژرهای سوئیچینگ و خطی بسته به اندازه باتری و میزان شارژ در طراحی کیس شارژ قابل مشاهده هستند. شارژرهای سوئیچینگ کارآمدتر هستند و گرمای کمتری تولید می کنند، که برای جریان های بالای 700 میلی آمپر و بالاتر مهم است. شارژرهای سوئیچینگ معمولاً دارای یک عملکرد تقویت یا پیروی یکپارچه هستند که ولتاژ باتری را افزایش می دهد و ولتاژ ورودی را برای شارژ هدفون ها فراهم می کند. شارژرهای خطی نیز انتخاب خوبی برای جعبههای باتری با جریان پایین هستند زیرا قیمت پایین و IQ پایین را ارائه میدهند.
سمعک های شارژی چالش های طراحی مشابهی دارند. آنها معمولا کوچکتر از هدفون هستند به طوری که نامرئی هستند و بنابراین نیاز به یکپارچه سازی قدرت بیشتری در یک منطقه کوچکتر دارند. آنها همچنین به ریل های برق کم نویز، از جمله یک توپولوژی خازن سوئیچ، برای وضوح صدای عالی نیاز دارند.