TWSイヤホン用の充電ポゴピンを設計する方法は?
TWSワイヤレスBluetoothヘッドセットは、近年、男性、女性、子供に好まれているスマートウェアラブル製品の1つです。小さくて絶妙で、充電しやすく、形も違います。充電コンパートメントに配置することで充電できます。TWS Bluetoothヘッドセット充電コンパートメントのコアコンポーネントの1つは、ポゴピンポゴピンです。TWSイヤホンは、ポゴピンの女性端と充電コンパートメントのオス端との接触を介して充電することができます。市場のブランドの80%がポゴピンを使用することを選択しています。
TWSヘッドセット充電ボックスは、理想的な低電力ワイヤレス充電シナリオです。ワイヤレス充電に対応したTWSワイヤレスBluetoothヘッドセットは、充電ボックス内にワイヤレス充電受信モジュールを内蔵しており、ワイヤレス充電携帯電話のようにワイヤレス充電器に装着でき、ワイヤレス充電を実現します。Bluetooth +ワイヤレス充電の「真のワイヤレス」機能は、より良いユーザーエクスペリエンスを持ち、TWS真のワイヤレスBluetoothヘッドセットの究極の形態であると考えられています。
現在、TWSイヤホンは、ヘッドホンヘッドのデザインにおいて、長いハンドルを持つセミインイヤータイプと、蝸牛型のもやし形状に大別されています。イヤホンの形状は比較的限られているため、充電と充電のデザインが画期的なポイントとなっています。写真は正しい 充電コンパートメントは、2色の射出成形プロセス、暗くて透明な外観、内部テクスチャデザイン、パワーディスプレイを使用して、高品質でハイテクな感覚を作り出し、少し革新しました!
TWSヘッドフォンの7つの設計上の課題を克服する方法は?
ここでは、電力損失の最小化からスタンバイ時間の延長まで、TWSヘッドフォン設計における最も困難な課題のいくつかを解決するのに役立つヒントをいくつか紹介します。
2016年にApple AirPodsがリリースされて以来、真のワイヤレスステレオ(TWS)市場は毎年50%以上成長しています。これらの人気のあるワイヤレスイヤホンのメーカーは、製品を差別化するためにより多くの機能(ノイズキャンセレーション、睡眠、および健康モニタリング)を急速に追加していますが、これらすべての機能を追加することは設計エンジニアリングの観点からは難しい場合があります。この記事では、これらの課題について説明します。
課題1:効率的な充電による電力損失の最小化
ワイヤレスイヤホンの大きな課題は、バッテリーコンパートメント内のイヤホンが完全に充電されたときに、合計再生時間を長くすることです。この場合、合計再生時間が長くなるほど、ケースがイヤホンを充電できるサイクル数になります。目標は、充電ケースからイヤホンまでの消費電力を最小限に抑えながら、効率的な充電を可能にすることです。
充電ケースは、イヤホンを充電するための入力としてバッテリからの電圧を出力します。標準的なソリューションは、固定5V出力のブーストコンバータで、これは単純なソリューションですが、充電効率を最適化しません。イヤホンのバッテリーは非常に小さいため、設計者はリニアチャージャーを使用することがよくあります。固定5V入力を使用する場合、充電効率は非常に低く(V in - 5バット)/ 5 inで、バッテリに大きな電圧降下が生じます。平均3.6Vのリチウムイオンバッテリ電圧(半放電)を接続すると、5V入力の効率はわずか72%です。
逆に、充電ケースに調整可能な出力ブーストまたは昇降圧コンバータを使用すると、イヤホンの標準的な電圧範囲をわずかに上回る電圧しか生成されません。これには充電ケースからイヤホンへの通信が必要であり、電圧が上昇するにつれて充電ケースの出力電圧をイヤホンのバッテリに動的に調整することができます。これにより、損失が最小限に抑えられ、充電効率が向上し、熱が大幅に減少します。
課題 2: 機能を削除せずにソリューション全体を縮小する
2番目の課題は、小型バッテリ設計の一般的な課題、つまり小型で機能的に大きいバッテリを設計する方法です。ここでの簡単な解決策は、より統合されたコンポーネントを備えたデバイスを選択することです。例えば：
メインシステムブロックに電力を供給するための追加の電源レールを内蔵した高性能リニアチャージャで、ワイヤレスヘッドフォンに適しています。
プロセッサや無線通信モジュールなど、電力を消費する低電圧モジュールの場合、スワップレールが効率にとって最良の選択です。
多くの電力を必要としないが低ノイズを必要とするセンサブロックの場合は、低ドロップアウトレギュレータの使用を検討してください。
ワイヤレスヘッドフォンにアナログフロントエンドセンサーが内蔵されており、血中酸素と心拍数を測定する場合は、ブーストコンバータも必要になることがあります。
追加の電源レールを充電器に統合して、フォームファクタを小さくします。しかし、より小さなサイズのためにより多くの集積度を積分することと、柔軟性のためにより多くのディスクリート集積回路(IC)を使用することとの間には、常にトレードオフがあります。
課題3:待機時間の延長
消費者は、充電ケースの外で長時間非アクティブな状態の後でもヘッドフォンが音楽を再生することを期待しているため、スタンバイ時間は重要です。より多くのエネルギーを蓄えることができるように、通常4.35ボルトや4.4ボルトなどのより高い電圧を持つイヤホンに、よりエネルギー密度の高いリチウムイオン電池を使用することを検討してください。フル充電では、スタンバイ時間も長くなります。小さな終端電流と高精度を特長とするバッテリチャージャは、スタンバイ時間を延長するのに役立ちます。終端電流の仕様に大きな変更があると、終端電流が高くなり、早期終端やバッテリの低下につながる可能性があります。
41mAhのバッテリーは1mAh対4mAhで終端しました。公称1mA終端電流が大きく変化し、実際に4mAで終端する場合、2mAhのバッテリ容量は利用されないままになります。終端電流が低く、精度が高いため、バッテリの有効容量が増加します。
低自己消費電流(IQ)は、さまざまな動作モードでスタンバイ時間を延長するためにも重要です。電力経路とほぼゼロのシップモード電流を備えたチャージャICは、製品が消費者に届く前にバッテリが消耗するのを防ぎ、すぐに使用することができます。電力経路では、金属酸化物半導体電界効果トランジスタをバッテリとシステムの間に配置して、システムとバッテリの経路をそれぞれ管理する必要があります。
イヤホンが音楽を再生しているときやアイドリングしているときは、システムの消費電流をできるだけ小さくする必要があります。低の充電器を見つけることで、システムのIも最小限に抑えられます。たとえば、バッテリチャージャは、バッテリ温度を測定するために負の温度係数(NTC)抵抗ネットワークを必要とすることがよくあります。
市場に出回っている一部のソリューションでは、バッテリモードで動作しているときにNTC電流をオフにすることはできません。リークが多すぎるか(NTCネットワークに20kΩがある場合、リークが200μを超えることがあります)、または追加のI/Oを必要とし、スイッチでオフにします。
課題 4: セキュリティ設計
バッテリーパックメーカーは、多くの場合、異なる温度でバッテリーを充電するためのガイドラインを持っており、バッテリーは使用中はこれらの安全な動作領域内に留まらなければなりません。高温と低温の境界外で充電が停止する標準プロファイルを必要とするものもあります。例えば、他の企業では、一般社団法人電子情報技術協会から特定の情報を求められる場合があります。これらの温度プロファイルに準拠するには、必要な組み込みまたは I 2C プログラマビリティを備えたプロファイルを探します。BQ21061 および BQ25155 には、温度ウィンドウと特定の温度範囲内で実行されるアクションを設定するレジスタがあります。
バッテリ低電圧ロックアウト(UVLO)は、バッテリが過放電してストレスを受けるのを防ぐもう1つの安全機能です。バッテリ電圧が特定のスレッショルドを下回ると、UVLOは放電経路を遮断します。たとえば、4.2Vで充電されたリチウムイオンバッテリの場合、一般的なカットオフスレッショルドは2.8V~3Vです。
課題5:システムの信頼性の確保
システムの信頼性が低いと、ユーザーがアダプタを接続したときに一部のマイクロプロセッサが動かなくなりました。これはまれですが、マイクロプロセッサを再起動して正常に戻すことができるように、システム電源のリセットが必要です。一部のバッテリ充電器には、ハードウェアリセットまたは電源の入れ直しを実行するハードウェアリセットウォッチドッグタイマが組み込まれており(そうでない場合)、アダプタがユーザによって接続された後のある時点で2つのCトランザクションが検出されます。システムをリセットすると、電源パスが切断され、バッテリーとシステムに再接続されます。
ハードウェアリセットウォッチドッグタイマと同様に、従来のソフトウェアウォッチドッグタイマも、2Cでトランザクションのない期間が経過した後にチャージャレジスタをデフォルト値にリセットすることで、システムの信頼性を向上させるのに役立ちます。このリセットにより、マイクロプロセッサが不良状態にあるときにバッテリが正しく充電されないようにします。
課題6:最適な運用領域を監視する
第6の課題は、高精度A/Dコンバータ(ADC)を内蔵することで効率的に実現できるシステムパラメータの監視です。バッテリ電圧の測定は、バッテリの充電状態を近似的ではあるが便利に表現できるため、優れたパラメータです。経験則として、ワイヤレス ヘッドセットに必要な充電状態が ±5% より高い場合。
高精度内蔵ADCにより、充電および放電中にバッテリとボードの温度を監視してアクションを実行することもできます。充電器が監視できるその他のパラメータには、入力電圧/電流、充電電圧/電流、およびシステム電圧が含まれます。また、内蔵のコンパレータは、特定のパラメータを監視し、ホストに割り込みを送信するのにも役立ちます。パラメータが正常範囲内にあり、コンパレータがトリガされない場合、ホストは目的のパラメータを常に読み取る必要はありません。BQ25155は、ADCとコンパレータを備えているため、システムパラメータを監視する良い例です。
課題 7: ワイヤレス接続の簡素化
一部のワイヤレスイヤホンには、イヤホンが充電ケースに入っていて蓋を開けているときに、イヤホンと充電ケースの充電状態をスマートフォンに表示する機能があります。これをサポートするには、イヤホンは、バッテリーが切れていても、ケースに差し込まれるとすぐに充電状態を報告する必要があります。充電状態を報告するには、メインチップが起動している必要があるため、この場合、外部電源がイヤホンに電力を供給している必要があります。電源経路を備えた充電器により、システムはVBUからより高い電圧を取得しながら、バッテリを低電圧で充電することができます。
ワイヤレスヘッドフォンチャージャのいくつかの機能(出荷モード、システム電源リセット、バッテリUVLO、正確な端子電流、インスタント充電ステータスレポートなど)は、バッテリとシステムの両方のMOSFETを間に配置してシステムとバッテリパスを別々に管理する必要がある電力パス機能なしでは不可能です。図5は、電源経路の有無にかかわらず充電器を示しています。
スイッチングチャージャとリニアチャージャは、バッテリサイズと充電レートに応じて充電ケースの設計で見ることができます。スイッチングチャージャはより効率的で発熱が少なく、700mA以上の大電流に重要です。スイッチング充電器には通常、バッテリ電圧を昇圧し、イヤホンを充電するための入力電圧を提供する昇圧またはフォロー機能が内蔵されています。リニアチャージャは、低コストで低IQを提供するため、低電流レベルのバッテリボックスにも適しています。
充電式補聴器も同様の設計上の課題があります。通常、イヤホンよりも小さいため、目に見えないため、より小さな領域でより多くの電力統合が必要です。また、優れたオーディオの明瞭さを実現するために、スイッチトキャパシタトポロジを含む低ノイズの電源レールも必要です。