כיצד לעצב סיכת Pogo טעינה עבור אוזניות TWS?
אוזניות Bluetooth אלחוטיות TWS הן אחד מהמוצרים הלבישים החכמים המועדפים על גברים, נשים וילדים בשנים האחרונות. הוא קטן ומעודן, קל לטעינה ובעל צורות שונות. ניתן להטעין אותו על ידי הנחתו בתא הטעינה. אחד ממרכיבי הליבה בתא הטעינה של אוזניות בלוטות' של TWS הוא סיכת הפוגופין. ניתן להטעין אוזניות TWS באמצעות מגע בין הקצה הנשי של סיכת הפוגו לקצה הזכר בתא הטעינה. 80 אחוז מהמותגים בשוק בוחרים להשתמש בסיכת הפוגו.
תיבת הטעינה של אוזניות TWS היא תרחיש טעינה אלחוטית אידיאלית בהספק נמוך. לאוזניות ה-Bluetooth האלחוטי TWS התומכות בטעינה אלחוטית יש מודול קליטת טעינה אלחוטית מובנית בקופסת הטעינה, אותו ניתן למקם על המטען האלחוטי לטעינה כמו טלפון סלולרי בטעינה אלחוטית, מימוש טעינה אלחוטית. לפונקציית ה"אלחוטית באמת" של טעינה אלחוטית בלוטות' פלוס יש חווית משתמש טובה יותר והיא נחשבת לצורה האולטימטיבית של אוזניות Bluetooth אלחוטיות אמיתיות מסוג TWS.
כעת אוזניות TWS מחולקות באופן גס לסוגי חצי באוזן עם ידיות ארוכות וצורות נבטי שעועית מסוג שבלול בעיצוב ראש האוזניות. צורת האוזניות מוגבלת יחסית, כך שעיצוב הטעינה והטעינה הפך לנקודת פריצת דרך. התמונה נכונה תא הטעינה עשה חידוש קטן, תוך שימוש בתהליך הזרקה בשני צבעים, מראה כהה ושקוף ועיצוב מרקם פנימי, ועם תצוגת הכוח, יצירת תחושת היי-טק איכותית!
איך להתגבר על שבעה אתגרי עיצוב של אוזניות TWS?
הנה כמה טיפים שיעזרו לפתור כמה מהאתגרים הקשים ביותר בעיצוב אוזניות TWS, ממזעור אובדן חשמל ועד הארכת זמן ההמתנה.
מאז השקת Apple AirPods ב-2016, שוק הסטריאו האלחוטי האמיתי (TWS) צמח ביותר מ-50 אחוזים מדי שנה. יצרניות האוזניות האלחוטיות הפופולריות הללו מוסיפות במהירות תכונות נוספות (ביטול רעשים, שינה וניטור בריאות) כדי להבדיל בין המוצרים שלהם, אך הוספת כל התכונות הללו עשויה להיות קשה מנקודת מבט הנדסית עיצובית. במאמר זה אסקור את האתגרים הללו.
אתגר 1: צמצם את אובדן החשמל באמצעות טעינה יעילה
אתגר מרכזי באוזניות אלחוטיות הוא השגת זמן השמעה כולל ארוך יותר כאשר האוזניות בתא הסוללה טעונות במלואן. במקרה זה, זמן משחק ארוך יותר מתורגם למספר המחזורים שמארז יכול לטעון את האוזניות לאורך כל חייהן. המטרה היא לאפשר טעינה יעילה תוך מזעור צריכת החשמל ממארז הטעינה לאוזניות.
מארז הטעינה מוציא מתח מהסוללה ככניסה לטעינת האוזניות. הפתרון הטיפוסי הוא ממיר בוסט עם יציאת 5V קבועה, שהוא פתרון פשוט אך אינו מייעל את יעילות הטעינה. מכיוון שסוללות אוזניות קטנות כל כך, מעצבים משתמשים לעתים קרובות במטענים ליניאריים. בעת שימוש בכניסה קבועה של 5V, יעילות הטעינה נמוכה מאוד - בערך (V ב-- 5 עטלפים) / 5 אינץ' - ומייצרת מפל מתח גדול על הסוללה. חבר מתח סוללה ממוצע של 3.6V Li-Ion (פרוק למחצה) וכניסת 5V יעילה רק ב-72 אחוזים.
לעומת זאת, שימוש בממיר חיזוק פלט מתכוונן או buck-boost במארז הטעינה מייצר מתח רק במעט מעל טווח המתח הטיפוסי של אוזניות. הדבר מצריך תקשורת ממארז הטעינה לאוזניות, מה שמאפשר למתח המוצא של מארז הטעינה להתאים באופן דינמי לסוללת האוזניות ככל שהמתח עולה. זה ימזער הפסדים, יגדיל את יעילות הטעינה ותפחית משמעותית את החום.
אתגר 2: הקטנת הפתרון הכולל מבלי להסיר פונקציונליות
האתגר השני הוא האתגר הכללי של עיצוב סוללה קטנה – איך לעצב סוללה שהיא גם קטנה בגודלה וגם גדולה בתפקוד. הפתרון הפשוט כאן הוא לבחור במכשיר עם רכיבים משולבים יותר. לְמָשָׁל:
מטען ליניארי בעל ביצועים גבוהים המשלב מסילות חשמל נוספות כדי להפעיל את בלוק המערכת הראשית ומהווה בחירה טובה עבור אוזניות אלחוטיות.
עבור מודולים בעלי מתח נמוך, צריכות חשמל, כגון מעבדים ומודול תקשורת אלחוטית, מסילות החלפה הן הבחירה הטובה ביותר ליעילות.
עבור בלוקים של חיישנים שאינם דורשים כוח רב אך כן זקוקים לרעש נמוך, שקול להשתמש בווסת נשירה נמוכה.
אם האוזניות האלחוטיות שלך משלבות חיישנים אנלוגיים קדמיים למדידת חמצן וקצב לב בדם, ייתכן שתצטרך גם ממיר בוסט.
שלב פסי חשמל נוספים במטען כדי להקטין את גורם הצורה שלו. עם זאת, תמיד יש פשרה בין שילוב רב יותר עבור גדלים קטנים יותר לבין שימוש במעגלים משולבים בדידים יותר (ICs) לצורך גמישות.
אתגר 3: הארכת זמן ההמתנה
זמן המתנה חשוב מכיוון שהצרכנים מצפים שהאוזניות ינגנו מוזיקה גם לאחר תקופות ארוכות של חוסר פעילות מחוץ למארז הטעינה. שקול להשתמש בסוללות ליתיום-יון בצפיפות אנרגיה גבוהה יותר באוזניות, שבדרך כלל יש להן מתח גבוה יותר, כגון 4.35 וולט ו-4.4 וולט, כדי שניתן יהיה לאגור יותר אנרגיה. טעינה מלאה גם מגדילה את זמן ההמתנה. מטען סוללות הכולל זרם סיום קטן ודיוק גבוה יעזור להאריך את זמן ההמתנה. אם יש שינוי גדול במפרט זרם הסיום, אתה עלול להגיע לזרם סיום גבוה יותר, מה שעלול להוביל לסיום מוקדם ולסוללה חלשה.
סוללת 41mAh הסתיימה ב-1mAh לעומת 4mAh. אם זרם הסיום הנומינלי של 1mA משתנה במידה רבה ולמעשה מסתיים ב-4mA, קיבולת הסוללה של 2mAh תישאר בלתי מנוצלת. זרם סיום נמוך יותר ודיוק גבוה יותר מגדילים את קיבולת הסוללה האפקטיבית.
זרם שקט נמוך (IQ) חשוב גם כדי להאריך את זמן ההמתנה במצבי פעולה שונים. IC מטען עם נתיב מתח וזרם מצב ספינה קרוב לאפס ימנע מהסוללה להתרוקן לפני שהמוצר יגיע לצרכן, מה שיאפשר שימוש מיידי. נתיב הכוח דורש הצבת טרנזיסטורי אפקט שדה של מתכת-תחמוצת-מוליכים למחצה בין הסוללה למערכת כדי לנהל את נתיבי המערכת והסוללה, בהתאמה.
כאשר האוזניות משמיעות מוזיקה או במצב סרק, הצריכה הנוכחית של המערכת צריכה להיות קטנה ככל האפשר. למצוא מטען עם נמוך אני גם ממזער את ה-I של המערכת. לדוגמה, מטעני סוללות דורשים לעתים קרובות רשת נגד מקדם טמפרטורה שלילי (NTC) כדי למדוד את טמפרטורת הסוללה.
חלק מהפתרונות בשוק אינם יכולים לכבות את זרם NTC בעת עבודה במצב סוללה. או שהם דולפים יותר מדי (הדליפה יכולה לעלות על 200µ כאשר לרשת NTC יש 20 kΩ) או שהם דורשים I/O נוסף ולכבות אותו עם מתג.
אתגר 4: עיצוב אבטחה
ליצרני חבילות סוללות יש לרוב הנחיות לטעינת סוללות בטמפרטורות שונות, והסוללות חייבות להישאר באזורי ההפעלה הבטוחים הללו במהלך השימוש. חלקם דורשים פרופיל סטנדרטי שבו הטעינה נעצרת מחוץ לגבול הטמפרטורה החמה והקרה. לדוגמה, חברות אחרות עשויות לדרוש מידע ספציפי מאגודת האלקטרוניקה והמידע היפנית. כדי לעמוד בפרופילי הטמפרטורה הללו, חפש פרופיל עם יכולת התכנות המובנית הדרושה או I twoC. ל-BQ21061 ול-BQ25155 יש אוגרים להגדרת חלון הטמפרטורה והפעולות שיש לבצע בטווח טמפרטורות ספציפי.
נעילת מתח תת-מתח של הסוללה (UVLO) היא תכונת בטיחות נוספת המונעת פריקת יתר של הסוללה ובכך להילחץ. ברגע שמתח הסוללה יורד מתחת לסף מסוים, UVLO מנתק את נתיב הפריקה. לדוגמה, עבור סוללת Li-Ion הנטענת ב-4.2V, סף חיתוך נפוץ הוא 2.8V עד 3V.
אתגר 5: הבטחת אמינות המערכת
אמינות מערכת נמוכה גרמה לחלק מהמיקרו-מעבדים להיתקע כשהמשתמש חיבר את המתאם. אמנם זה נדיר, אבל זה מצריך איפוס מתח של המערכת כדי שהמיקרו-מעבד יוכל להפעיל מחדש ולחזור לקדמותו. מטעני סוללות מסוימים משלבים טיימר שמירה לאיפוס חומרה המבצע איפוס חומרה או מחזור הפעלה (אם לא) שתי עסקאות C מזוהות מתישהו לאחר שהמשתמש מחבר את המתאם לחשמל. לאחר איפוס המערכת, נתיב החשמל מנותק ומחבר מחדש לסוללה ולמערכת.
בדומה לטיימר כלב השמירה לאיפוס החומרה, טיימר התוכנה המסורתי גם עוזר לשפר את אמינות המערכת על ידי איפוס אוגר המטען לערך ברירת המחדל שלו לאחר תקופה ללא עסקאות ב-2C. איפוס זה מונע טעינה לא נכונה של הסוללה כאשר המיקרו-מעבד במצב פגום.
אתגר 6: מעקב אחר אזורי ההפעלה הטובים ביותר
האתגר השישי הוא לנטר את פרמטרי המערכת, אותם ניתן להשיג ביעילות על ידי ממיר אנלוגי-דיגיטלי (ADC) מובנה ברמת דיוק גבוהה. מדידת מתח הסוללה היא פרמטר טוב מכיוון שהיא מספקת ייצוג נוח, אם כי משוער, של מצב הטעינה של הסוללה. ככלל אצבע, אם מצב הטעינה הנדרש על ידי האוזניות האלחוטיות גבוה מ-±5 אחוזים.
ה-ADC המובנה ברמת הדיוק הגבוהה מאפשר לך גם לנטר ולפעול על טמפרטורת הסוללה והלוח במהלך הטעינה והפריקה. פרמטרים נוספים שהמטען יכול לנטר כוללים מתח/זרם כניסה, מתח/זרם טעינה ומתח מערכת. המשווה המובנה גם עוזר בנוחות לנטר פרמטרים ספציפיים ולשלוח הפרעות למארח. אם הפרמטר נמצא בטווח הנורמלי והמשוואה לא מופעל, המארח לא צריך לקרוא כל הזמן את הפרמטר המעניין. ה-BQ25155 הוא דוגמה טובה לניטור פרמטרי מערכת מכיוון שיש לו ADC והשוואה.
אתגר 7: פשט את הקישוריות האלחוטית
לחלק מהאוזניות האלחוטיות יש תכונה המציגה את מצב הטעינה של האוזניות ונרתיק הטעינה בסמארטפון כשהאוזניות במארז הטעינה והמכסה פתוח. כדי לתמוך בכך, על האוזניות לדווח על מצב הטעינה ברגע שהן מחוברות למארז, גם אם הסוללה התרוקנה. השבב הראשי חייב להיות ער כדי לדווח על מצב הטעינה, כך שבמקרה זה, מקור הכוח החיצוני חייב להפעיל את האוזניות. מטען עם נתיב מתח מאפשר למערכת לקבל מתח גבוה יותר מה-VBU תוך טעינת הסוללה במתח נמוך יותר.
מספר תכונות של מטען האוזניות האלחוטי (כגון מצב ספינה, איפוס מתח המערכת, UVLO של הסוללה, זרם מסוף מדויק ודיווח מצב טעינה מיידי) אינן אפשריות ללא יכולת נתיב החשמל, המחייבת הצבת סוללה ומערכת MOSFET בין לבין לנהל את נתיבי המערכת והסוללה בנפרד. איור 5 ממחיש את המטען עם ובלי נתיב מתח.
ניתן לראות מיתוג ומטענים לינאריים בעיצוב מארז הטעינה בהתאם לגודל הסוללה וקצב הטעינה. מיתוג מטענים יעילים יותר ומייצרים פחות חום, מה שחשוב לזרמים גבוהים של 700mA ומעלה. מיתוג מטענים מגיעים בדרך כלל עם פונקציית דחיפה או מעקב משולבת שמגבירה את מתח הסוללה ומספקת את מתח הכניסה לטעינת האוזניות. מטענים לינאריים הם גם בחירה טובה עבור קופסאות סוללה ברמת זרם נמוכה מכיוון שהם מציעים עלות נמוכה ו-IQ נמוך.
מכשירי שמיעה נטענים מציגים אתגרים עיצוביים דומים. הן בדרך כלל קטנות יותר מאוזניות כך שהן אינן נראות ולכן דורשות אינטגרציה רבה יותר של כוח בשטח קטן יותר. הם גם דורשים מסילות חשמל בעלות רעש נמוך, כולל טופולוגיה של קבלים ממוגנים, לבהירות שמע מעולה.