真正的無線耳塞通常使用三個(gè)（或更多）引腳與其充電盒連接，以進(jìn)行數(shù)據(jù)和電源傳輸。額外的引腳需要更多的空間，同時(shí)也會(huì)引起可靠性問題。此外，耳塞式電池充電期間通常使用固定電壓，這種方法可能會(huì)導(dǎo)致不必要的發(fā)熱。在本設(shè)計(jì)解決方案中，我們更詳細(xì)地研究了這些方法的缺點(diǎn)，然后介紹了一種使用兩個(gè)IC來解決這些問題的復(fù)合方法。

介紹

在一些東方文化中，大耳朵象征著好運(yùn)和財(cái)富。唉，不是每個(gè)人都天生幸運(yùn)或富有，同樣，耳朵有各種形狀和大小。雖然真無線耳塞的制造商可能會(huì)被指責(zé)為口是心非，希望每個(gè)人都有幸擁有大耳朵，但他們面臨著無情的挑戰(zhàn)，即使他們的產(chǎn)品足夠舒適，適合所有耳朵大小的人佩戴。

尺寸限制并不是他們面臨的唯一挑戰(zhàn)。真正的無線耳塞，就其本質(zhì)而言，必須是可充電的。但是，如果充電效率不高，耳塞會(huì)迅速加熱到高溫，從而限制充電速度并使佩戴者感到不舒服。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們將討論如何管理無線耳塞中的電池充電，以及在這些微型外殼內(nèi)最小化這種占用空間的挑戰(zhàn)。我們建議使用一種節(jié)省空間的方法，即使用采用創(chuàng)新方法來管理耳塞與其充電盒之間的電源和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?IC。最后，我們提出了一種DC-DC轉(zhuǎn)換器IC，該IC能夠自適應(yīng)地優(yōu)化電池充電條件，從而最大限度地減少以熱量形式浪費(fèi)的功率，有助于減少充電時(shí)間。

耳塞充電接口

真無線耳塞中的電池在充電盒中更換時(shí)開始充電。這種布置的簡(jiǎn)化框圖如圖2所示。

圖2.耳塞和充電盒的簡(jiǎn)化框圖。

耳塞制造商通常使用 3 針（或更多）接口來管理電池充電過程。兩個(gè)引腳用于電荷傳輸，而其他引腳在充電盒和耳塞之間提供通信（或數(shù)據(jù)）通道。該通道用于跟蹤充電盒和耳塞中的電池狀態(tài)，這意味著用戶和系統(tǒng)都會(huì)持續(xù)了解充電過程的狀態(tài)。此通信接口還可用于設(shè)備固件更新和/或出廠調(diào)試。某些耳塞型號(hào)使用專用 （pogo） 別針來檢測(cè)耳塞何時(shí)更換了外殼。雖然一些制造商使用霍爾效應(yīng)傳感器來避免使用專用的彈簧針，但這需要在充電盒中安裝額外的組件。

無論出于何種目的，在微型耳塞上容納額外的引腳都會(huì)給制造商帶來挑戰(zhàn)，不僅在空間方面，而且在可靠性方面，因?yàn)槊總€(gè)引腳都會(huì)在制造過程中引入潛在的故障點(diǎn)。在理想情況下，只需使用兩個(gè)引腳將耳塞連接到其充電盒。一種方法是使用兩個(gè)引腳進(jìn)行電源傳輸，并使用單獨(dú)的藍(lán)牙通道與充電盒進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。然而，這并不理想，因?yàn)樗枰诔潆姾兄蟹胖靡粋€(gè)額外的藍(lán)牙收發(fā)器，從而消耗更多的空間和功率。?

結(jié)合數(shù)據(jù)和電力傳輸

耳塞與其充電盒通信的一種更有效方法是將數(shù)據(jù)和功率傳輸組合到單個(gè)通道中，從而有效地將數(shù)據(jù)信號(hào)疊加到電源上。這被稱為“電力線通信”（類似于電源插座可用于擴(kuò)展有線網(wǎng)絡(luò)通信的方式）。MAX20340通過提供雙向直流電力線通信接口實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)的新穎變體，適用于空間受限的便攜式消費(fèi)類設(shè)備。通過這種方法，引腳數(shù)量可以減少到兩個(gè)，這是理想的解決方案。圖3所示為MAX20340直流電力線通信管理IC如何集成到耳塞及其充電盒中以提供此功能，允許以高達(dá)166.7kbps的速率進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。主 IC 位于充電盒中，每個(gè)耳塞內(nèi)都有可尋址的從 IC。

圖3.使用MAX20340在耳塞和充電盒之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和電源傳輸。

接口僅使用兩個(gè)引腳，可減少故障點(diǎn)數(shù)量，從而提高可靠性。MAX20340還有其他幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它的最大充電電流為 1.2A，可實(shí)現(xiàn)更快的電池充電。它還具有自動(dòng)從屬檢測(cè)功能，這意味著充電盒不需要霍爾效應(yīng)傳感器或?qū)Ｓ玫膹椈舍樇纯勺R(shí)別耳塞已對(duì)接。它包括高ESD保護(hù)，無需額外的TVS二極管。該 IC 采用 9 焊球、0.4mm 間距、1.358mm x 1.358mm 晶圓級(jí)封裝 （WLP）。

減少發(fā)熱

為防止發(fā)熱，需要盡可能高效地為耳塞電池充電。對(duì)這一過程的分析揭示了一個(gè)可能被忽視的功率損耗來源。充電盒中的鋰離子電池（通常為3.7V）通常使用DC-DC轉(zhuǎn)換器IC升壓至5V。然后，耳塞中的線性充電器使用該電壓進(jìn)行電池充電。但是，即使耳塞電池電壓在充電過程中上升，它始終低于 5V。這種過電壓導(dǎo)致功率以熱量的形式浪費(fèi)。為防止這種情況，隨著充電過程中電池電壓的上升，線性充電器（由升壓轉(zhuǎn)換器提供）的輸入與電池電壓之間的電壓差應(yīng)持續(xù)最小化。

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以使用一種稱為動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)（或DVS）的技術(shù)來管理這種情況，如圖4所示。

圖4.MAX20343降壓-升壓型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間歇性查詢耳塞電池電壓，并將此信息提供給外殼側(cè)微控制器。然后，微型調(diào)節(jié)MAX20343的輸出電壓，使其與耳塞電池電壓加上線性充電器所需的額外開銷相匹配。這樣做的好處是最大限度地減少外殼側(cè)電池的能量浪費(fèi)，并減少耳塞中的散熱。這種散熱的減少意味著耳塞也可以以更快的速度充電。MAX20343采用16焊球、1.77mm x 2.01mm、0.4mm間距WLP或12引腳、2.50mm x 2.50mm、0.5mm間距FC2QFN封裝。

圖5.使用MAX20340和MAX20343進(jìn)行充電。

總結(jié)

真無線耳塞是微型設(shè)備，存在許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。我們已經(jīng)證明，除了功率傳輸介質(zhì)之外，真無線系統(tǒng)還需要一種在耳塞和充電盒之間雙向傳輸數(shù)據(jù)的方法。許多型號(hào)使用額外的引腳來提供此數(shù)據(jù)通道，同時(shí)還使用專用的彈簧針來讓充電盒識(shí)別耳塞已對(duì)接。但是，額外的引腳會(huì)占用有限的空間，并表示額外的故障點(diǎn)。這可能會(huì)在制造過程中產(chǎn)生可靠性問題。我們還解釋了耳塞充電時(shí)如何以熱量的形式浪費(fèi)能量。然后，我們展示了兩種克服這些問題的IC。MAX20340將電源和數(shù)據(jù)傳輸集成到一個(gè)通道中，這意味著耳塞只需兩個(gè)引腳即可與充電盒連接。MAX20343通過提高電池充電過程的效率來節(jié)省能源并減少發(fā)熱。這些IC組合或單獨(dú)使用，也是助聽器、游戲耳機(jī)、手持收音機(jī)和銷售點(diǎn)設(shè)備中類似應(yīng)用的理想選擇。

審核編輯：郭婷