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真无线耳机高效充电的秘诀

美信半导体 2020-05-29 15:05 次阅读

真无线耳机常常使用3个(或更多)引脚与其充电盒连接,用于传输数据和电源。额外的引脚则需要更大的空间,同时也会导致可靠性隐患。此外,耳机电池充电期间常采用固定电压,该方法会引起有害发热。本设计方案中,我们详细考察了这些方法的缺点,然后提出一种采用两片IC解决这些问题的混合方法。

概述

在东方文化中,大耳朵象征着好运和财富。遗憾的是,世界上大部分人都没有与生俱来的好运和财富——每个人耳朵的形状与大小都不尽相同。真无线耳机(图1)制造商当然不能指望每位用户都长着一对能够自如佩戴耳机的大耳朵,相反,他们需要攻克一项巨大的挑战:耳机能够适应各种大小和形状的双耳,同时让用户感到佩戴舒适。

图1(a). 真无线耳机。图1(b). 真无线耳机及其充电盒

尺寸约束不是他们唯一的挑战。从本质上讲,真无线耳机必然是可重复充电的。然而,如果充电效率不高,耳机会快速发热,达到高温,从而限制了其充电速度,并且使其佩戴不舒适。本设计方案中,我们讨论无线耳机电池充电的管理方式,以及将这些微小外壳内的占位面积最小化所面临的挑战。我们提出一种利用IC来节省空间的途径,该IC采用创新的方法来管理耳机与其充电盒之间的电源和数据传输。最后,我们介绍一款DC-DC转换器IC,该IC能够自适应优化电池充电条件,从而最大程度减小以热形式浪费的功率,有助于缩短充电时间。

耳机充电接口

真无线耳机被放入充电盒时,其中的耳机开始充电。图2所示为该配置方案的简化框图。

图2. 耳机和充电盒简化图

耳机制造商常常使用3个(或更多)引脚接口来管理电池充电过程。两个引脚用于充电,其他引脚提供充电盒和耳机之间的通信(或数据)通道。该通道用于在充电盒和耳机中跟踪电池的状态,意味着用户和系统都能够持续获得充电过程状态的相关信息。该通信接口也可用于设备固件升级以及/或者工厂调试。有些耳机型号使用专用的(pogo)引脚来检测耳机是否被放入充电盒。虽然有些制造商使用霍尔效应传感器,以避免使用专用pogo引脚,但这要求充电盒中具有额外附加元件。

为了在微小的耳机内部容纳附加引脚,无论出于什么目的,都为制造商带来了挑战,不仅限于空间,而且关乎可靠性,因为每个引脚在制造过程中都会引入潜在故障点。理想情况下,应只使用两个引脚将耳机连接到充电盒。实现以上目的的一种途径是使用两个传输电源的引脚和一路独立的Bluetooth通道实现与充电盒之间的数据通信。然而,这要求在充电盒内拥有额外的蓝牙收发器,会占用甚至更大的空间和功耗。

将数据和电源传输组合在一起

对于耳机与其充电盒通信,一种更高效的方法是将数据和电源传输组合到单个通道,有效地将数据信号叠加到电源上。这被称为“电力线通信”(类似于电源插座被用于扩展有线网络通信)。MAX20340实现了这种技术的创新,提供双向直流电力线通信接口,适用于空间受限的便携式消费类电子设备。利用这种方法,引脚数量可减少到2个,堪称完美的方案。图3所示为MAX20340直流电力线通信管理IC被集成到耳机及其充电盒的方式,支持速率高达166.7kbps的双向数据传输。主机IC位于充电盒内,每个耳机内各有可寻址的从机IC。

图3. 利用MAX20340实现耳机和充电盒之间的数据和电源传输

接口仅使用两个引脚,有效减少故障点数量,从而提高可靠性。MAX20340拥有其他诸多优势。器件的最大充电电流为1.2A,电池充电更快速。器件具有自动从机检测功能,意味着既不需要霍尔效应传感器,也不需要pogo引脚,充电盒即可识别耳机是否已放入。器件包括高ESD保护,无需附加TVS二极管。IC采用9焊球、0.4mm焊距、1.358mm x 1.358mm晶圆级封装(WLP)。

减少发热

为防止发热,耳机电池充电应尽量高效。通过分析这一过程,会发现不为人知的功耗源。电池盒中的锂离子电池(典型为3.7V)通常利用DC-DC转换器IC被升压到5V,然后被耳机中的线性充电器用于为电池充电。然而,即使耳机电池电压在充电期间升高,但始终保持低于5V。这种过高电压会造成功率被以热量的形式浪费掉。为防止浪费,在充电过程中,线性充电器的输入(由升压转换器提供)与电池电压之间的电压差,应随着电池电压升高而改变,从而持续实现最小化。

图4所示的升/降压转换器能够实现这一目的,该IC采用称为动态电压调节(DVS)的技术

图4. MAX20343升/降压DC-DC转换器,带DVS

图5所示为MAX20343如何与MAX20340配合使用,以降低散热。MAX20340间歇地查询耳机电池电压,并将该信息提供给充电盒侧的微控制器。然后微控制器调节MAX20343的输出电压,使其与耳机电池电压加上线性充电器所需的附加裕量相匹配。这样的优势是最大程度降低充电盒侧电池的能源浪费,降低耳机内的散热。散热降低就意味着耳机能够以较快的速率进行充电。MAX20343可选择16焊球、1.77mm x 2.01mm、0.4mm焊距、WLP封装,或12引脚、2.50mm x 2.50mm、0.5mm焊距FC2QFN封装。

图5. 使用MAX20340和MAX20343进行充电

总结

真无线耳机体积微小,带来了诸多设计挑战。我们已经看到,除电源传输介质外,真无线系统需要一种途径来实现耳机和充电盒之间的双向数据通信。许多型号的耳机使用额外引脚来提供数据通道,同时也通过专用的pogo引脚使充电盒能够识别耳机是否已放入。然而,额外引脚会占用有限的空间,增加附加故障点。这会导致制造过程中的可靠性问题。我们也讨论了耳机充电过程中的能源浪费形式。我们介绍了能够克服这些挑战的两款IC。MAX20340将电源和数据传输组合到一个通道,意味着只需两个引脚即可实现耳机与其充电盒的连接。MAX20343通过提高电池充电过程的效率,减少发热。无论是配合使用还是独立使用,这些IC都是类似应用的理想选择,例如助听器、游戏手柄、手持无线电对讲机、销售终端。

原文标题:Maxim设计方案 | 真无线耳机高效充电的秘诀:拒绝“头脑发热”

文章出处:【微信号:Maxim_Integrated,微信公众号:美信半导体】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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ExpressLane™ PEX 8112是一款专为PCI Express-to-PCI Bridge Specification 1.0设计的高性能桥接器,使设计人员能够将传统的PCI总线接口迁移到新的高级串行PCI Express。这款2端口器件配备单通道PCI Express端口和支持传统PCI操作的并行总线段。 PEX 8112能够在正向和反向桥接模式下运行。 PEX 8112采用13 x 13mm 144球PBGA封装。该器件采用无铅FPBGA封装和含铅或无铅PBGA封装。
发表于 07-04 10:31 117次 阅读
PEX 8112 x1泳道,13 x 13mm PBGA

PEX 9712 12通道,5端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

Broadcom通过其ExpressFabric计划和硬件与软件平台扩展了PCIe的范围,用作数据中心和云计算的结构。 ExpressFabric可以消除机架内昂贵的桥接设备,例如将本机PCIe转换为以太网并返回PCIe的适配卡。然而,ExpressFabric可与机架内使用的其他标准以及机架到机架的连接无缝协作。   业界首创的ExpressFabric平台可实现高性能,低延迟,可扩展,基于Gen3 PCI Express的经济高效的结构功能。该平台提供了与标准SR-IOV或多功能设备共享I / O的能力,并使用标准PCIe枚举–使多个主机能够驻留在单个基于PCIe的网络上。以前PCIe设备上没有的功能。主机通过类似以太网的DMA进行通信,并使用标准主机,端点和应用软件进行通信。...
发表于 07-04 10:31 36次 阅读
PEX 9712 12通道,5端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

BCM56160 SERIES 企业以太网交换机

为满足与新WiFi接入点更快连接的需求,Hurricane3增加了对2.5GE前面板端口速度和增加堆叠带宽的支持,同时保持其在PHY集成方面的领先地位,CPU和收发器。    功能 与片上千兆PHY的最高集成度,CPU,10GE收发器 支持802.11ac第2波接入点的2.5千兆端口 具有10千兆以太网上行链路和堆叠端口,可扩展性  应用程序 企业局域网交换
发表于 07-04 10:29 152次 阅读
BCM56160 SERIES 企业以太网交换机

PEX 9781 81通道,21端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

Broadcom通过其ExpressFabric计划和硬件与软件平台扩展了PCIe的范围,用作数据中心和云计算的结构。 ExpressFabric可以消除机架内昂贵的桥接设备,例如将本机PCIe转换为以太网并返回PCIe的适配卡。然而,ExpressFabric可与机架内使用的其他标准以及机架到机架的连接无缝协作。   业界首创的ExpressFabric平台可实现高性能,低延迟,可扩展,基于Gen3 PCI Express的经济高效的结构功能。该平台提供了与标准SR-IOV或多功能设备共享I / O的能力,并使用标准PCIe枚举–使多个主机能够驻留在单个基于PCIe的网络上。以前PCIe设备上没有的功能。主机通过类似以太网的DMA进行通信,并使用标准主机,端点和应用软件进行通信。...
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PEX 9781 81通道,21端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

PEX 9716 16通道,5端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

Broadcom通过其ExpressFabric计划和硬件与软件平台扩展了PCIe的范围,用作数据中心和云计算的结构。 ExpressFabric可以消除机架内昂贵的桥接设备,例如将本机PCIe转换为以太网并返回PCIe的适配卡。然而,ExpressFabric可与机架内使用的其他标准以及机架到机架的连接无缝协作。   业界首创的ExpressFabric平台可实现高性能,低延迟,可扩展,基于Gen3 PCI Express的经济高效的结构功能。该平台提供了与标准SR-IOV或多功能设备共享I / O的能力,并使用标准PCIe枚举–使多个主机能够驻留在单个基于PCIe的网络上。以前PCIe设备上没有的功能。主机通过类似以太网的DMA进行通信,并使用标准主机,端点和应用软件进行通信。...
发表于 07-04 10:18 36次 阅读
PEX 9716 16通道,5端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

PEX 9765 65通道,17端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

Broadcom通过ExpressFabric计划和硬件和软件平台扩展了PCIe的范围,用作数据中心和云计算的结构。 ExpressFabric可以消除机架内昂贵的桥接设备,例如将本机PCIe转换为以太网并返回PCIe的适配卡。然而,ExpressFabric可与机架内使用的其他标准以及机架到机架的连接无缝协作。业界首款ExpressFabric平台可实现基于Gen3 PCI Express的高性能,低延迟,可扩展,经济高效的结构功能。该平台提供了与标准SR-IOV或多功能设备共享I / O的能力,并允许多个主机使用标准PCIe枚举驻留在单个基于PCIe的网络上 - 这是PCIe设备以前无法提供的功能。主机通过类似以太网的DMA进行通信,并使用标准主机,端点和应用软件进行通信。...
发表于 07-04 10:18 65次 阅读
PEX 9765 65通道,17端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

PEX 9749 49通道,13端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

Broadcom通过ExpressFabric计划和硬件和软件平台扩展了PCIe的范围,用作数据中心和云计算的结构。 ExpressFabric可以消除机架内昂贵的桥接设备,例如将本机PCIe转换为以太网并返回PCIe的适配卡。然而,ExpressFabric可与机架内使用的其他标准以及机架到机架的连接无缝协作。业界首款ExpressFabric平台可实现基于Gen3 PCI Express的高性能,低延迟,可扩展,经济高效的结构功能。该平台提供了与标准SR-IOV或多功能设备共享I / O的能力,并允许多个主机使用标准PCIe枚举驻留在单个基于PCIe的网络上 - 这是PCIe设备以前无法提供的功能。主机通过类似以太网的DMA进行通信,并使用标准主机,端点和应用软件进行通信。...
发表于 07-04 10:18 54次 阅读
PEX 9749 49通道,13端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

PEX 9733 33通道,9端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

Broadcom通过其ExpressFabric计划和硬件与软件平台扩展了PCIe的范围,用作数据中心和云计算的结构。 ExpressFabric可以消除机架内昂贵的桥接设备,例如将本机PCIe转换为以太网并返回PCIe的适配卡。然而,ExpressFabric可与机架内使用的其他标准以及机架到机架的连接无缝协作。   业界首创的ExpressFabric平台可实现高性能,低延迟,可扩展,基于Gen3 PCI Express的经济高效的结构功能。该平台提供了与标准SR-IOV或多功能设备共享I / O的能力,并使用标准PCIe枚举–使多个主机能够驻留在单个基于PCIe的网络上。以前PCIe设备上没有的功能。主机通过类似以太网的DMA进行通信,并使用标准主机,端点和应用软件进行通信。...
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PEX 9733 33通道,9端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

HARPOON 采用Xelerated城域以太网应用的24xGbE + 2x10-GbE交换机参考设计

Broadcom的Dune Networks Fabrics FAP20V流量管理器和Xelerated的X11网络处理器共同为高性能城域以太网交换机和支持IPv6的交换机提供了最强大,最具成本效益的解决方案之一/routers.  Harpoon是一种生产就绪设计,基于1U pizzabox格式的价格/性能领先商家设备,用于运营商环境。系统供应商可以选择两种方案:1)直接利用现有的制造和物流安排,并以最少的客户调整(通常是颜色,前面板图形和可能的表格内存大小)订购Harpoon,或者2)使用以下方式设置自己的生产Dune Networks和Xelerated提供完整的制造IP。 功能 专为批量生产而设计,并且系统供应商的产品组合尽可能缩短产品上市时间 完全访问制造IP,允许客户利用Xelerated和Dune Networks建立的现有EMS安排,或使用自己的制造 基于城域以太网的主要关键组件,Dune Networks FAP20V流量管理器和X11网络处理器确保线速性能和运营商级QOS处理 紧凑型1U高度X 390mm深度,适用于运营商环境,具有前后冷却,双冗余电力r和风扇冗余 包括经过验证的城域以太网应用及其用于控制​​平面软件集成的API 应用 运营商和服务提供商服务器(交换机) 数据中心服务器(切换)...
发表于 07-04 10:18 66次 阅读
HARPOON 采用Xelerated城域以太网应用的24xGbE + 2x10-GbE交换机参考设计

PEX 9797 97通道,25端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

Broadcom通过其ExpressFabric计划和硬件与软件平台扩展了PCIe的范围,用作数据中心和云计算的结构。 ExpressFabric可以消除机架内昂贵的桥接设备,例如将本机PCIe转换为以太网并返回PCIe的适配卡。然而,ExpressFabric可与机架内使用的其他标准以及机架到机架的连接无缝协作。   业界首创的ExpressFabric平台可实现高性能,低延迟,可扩展,基于Gen3 PCI Express的经济高效的结构功能。该平台提供了与标准SR-IOV或多功能设备共享I / O的能力,并使用标准PCIe枚举–使多个主机能够驻留在单个基于PCIe的网络上。以前PCIe设备上没有的功能。主机通过类似以太网的DMA进行通信,并使用标准主机,端点和应用软件进行通信。...
发表于 07-04 10:17 110次 阅读
PEX 9797 97通道,25端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

BCM52311 BCM52311异构知识处理器

BCM52311基于知识的处理器(KBP)可在大规模数据库上执行高速操作,适用于各种电信应用,包括企业交换机和路由器。它提供网络感知功能,并对路由配置进行实时修改和更新,使其成为数据包分类,策略实施和转发的理想选择。此系列KBP通过高性能解决下一代分类需求;并行决策和改进的条目存储功能。最多八个并行操作允许设备达到每秒十亿次决策(BDPS)的决策速度。嵌入式错误纠正电路(ECC)提高了系统的可测试性和运行可靠性。密钥处理单元(KPU)通过灵活的搜索密钥构建实现高效的界面传输。   此KBP无缝连接到Jericho  BCM88670,Arad Plus BCM88660  Arad  BCM88650。  功能 • KBP表宽度可配置80/160/320/480/640位•关联数据的用户数据数组•最多八次并行搜索  •同时多线程(SMT)操作• NetRoute for Longest Prefix  Match(LPM)• NetACL访问控制列表解决方案•用于智能数据库管理的逻辑表•结果缓冲区,用于灵活路由搜索结果• ECC用户数据和数据库阵列•背景ECC扫描数据库条目 应用程序 • IPv4和IPv6数据...
发表于 07-04 10:09 174次 阅读
BCM52311 BCM52311异构知识处理器

BCM3255 单芯片前端DOCSIS®2.0+ IC高清机顶盒(STB)IC

具有集成通道绑定功能的Broadcom BCM3255机顶盒(STB)芯片结合了多个DOCSIS®通道一起显着提高数据速率。  Broadcom的BCM3255芯片支持高达120兆位/秒(Mb / s)的下行数据速率,支持下一代媒体中心一个全IP网络平台。迁移到基于IP的全部语音,视频和数据内容平台有助于降低网络运营成本,同时使网络能够支持快速高清视频下载,高比特率服务以及其他IP语音和视频服务。 />  功能 三个QAM带内解调器 OOB(带外)解调器,用于支持DSV 178和DVS 167 集成产生的物料清单(BOM)节省降低了整体机顶盒成本 北美和国际市场为全球部署提供单一设计  应用程序 IPTV 机顶盒 ...
发表于 07-04 10:02 51次 阅读
BCM3255 单芯片前端DOCSIS®2.0+ IC高清机顶盒(STB)IC

ALM-31222 1.7 - 2.7GHz 1瓦高线性度放大器

Broadcom’ ALM-31222是一款高线性1瓦功率放大器,具有良好的OIP3性能,在1dB增益压缩点具有极佳的PAE,通过使用 博通&rsquo的;专有的0.25um GaAs增强模式pHEMT工艺。特性 完全匹配,输入和输出 高线性度和P1dB 无条件稳定负载条件 内置可调温度补偿内部偏置电路 GaAs E-pHEMT技术[1] 5V电源 产品规格的均匀性非常好 提供卷带包装选项 MSL-3和无铅 基站应用的高MTTF 应用 用于GSM / PCS / W-CDMA / WiMAX基站的A类驱动放大器 通用增益模块...
发表于 07-04 09:57 87次 阅读
ALM-31222 1.7  -  2.7GHz 1瓦高线性度放大器

ALM-32220 1.7 - 2.7GHz 2瓦高线性度放大器

Broadcom’ ALM-32220是一款高线性度2瓦功率放大器,具有良好的OIP3性能和极佳的PAE,1dB增益压缩点,通过使用Broadcom’专有的0.25um GaAs增强模式pHEMT工艺。特性 完全匹配,输入和输出 高线性度和P1dB 在负载条件下无条件稳定 内置可调温度补偿内部偏置电路 GaAs E-pHEMT技术[1] 5V电源 产品规格均匀性极佳 可提供卷带包装选项 MSL-3和无铅 基站应用的高MTTF 应用 用于GSM / PCS / W-的A类驱动放大器CDMA / WiMAX基站 通用增益块...
发表于 07-04 09:54 164次 阅读
ALM-32220 1.7  -  2.7GHz 2瓦高线性度放大器

BCM3252 具有通道绑定的双通道前端DOCSIS®2.0+机顶盒(STB)IC

Broadcom® BCM3252 T IP视频流水线IC为高端机顶盒(STB)提供集成的前端解决方案。   Broadcom的BCM3252为交互式DOCSIS®提供解决方案; 2.0 +,DSG高清AVC机顶盒。 BCM3252包含一个集成的高性能处理器,用于解决DOCSIS 2.0 +,通道绑定重新排序以及TCP / IP,UPnP和IPv6等网络协议的任务。 BCM3252既是DOCSIS-也是EuroDOCSIS™认证。 功能 机顶盒产品的完整前端解决方案 双QAM带内解调器 用于支持DVS-178和DVS-167的带外(OOB)解调器 支持高达80 Mb / s的IP视频数据速率,允许将来转换为全IP网络 应用程序 机顶盒 IPTV  ...
发表于 07-04 09:52 67次 阅读
BCM3252 具有通道绑定的双通道前端DOCSIS®2.0+机顶盒(STB)IC

双蓝牙真无线耳机设计思路

最近想等工作空闲下来后,自己设计下双蓝牙的真无线耳机,像iphone的蓝牙耳机一样。没接触过蓝牙,有大神能提供下设计思路、相关...
发表于 05-13 04:43 483次 阅读
双蓝牙真无线耳机设计思路

超低待机功耗的真无线耳机充电盒子设计方案

作者: TI 工程师 Charles Wong 无线耳机已经在市场上风云了超过10年,而且其取代有线耳机的趋势非常明显。 但是大多数传统...
发表于 03-18 06:45 754次 阅读
超低待机功耗的真无线耳机充电盒子设计方案

可延长充电盒子的充电次数的TIDA-050007

作者: TI 工程师 Charles Wong 无线耳机已经在市场上风云了超过10年,而且其取代有线耳机的趋势非常明显。 但是大多数传统...
发表于 03-15 06:45 617次 阅读
可延长充电盒子的充电次数的TIDA-050007

无线耳机时代的到来为什么用了这么长时间

最近有很多新闻关于取消3.5毫米音频接口作为将耳机连至手机的主要方式。有人推测这预示着无线耳机的时代。我的问题是:为什么这么...
发表于 10-22 09:00 885次 阅读
无线耳机时代的到来为什么用了这么长时间

颜色party的种草,三星Gear IconX无线耳机

有没有像我这样的颜色党?像我这种颜色党碰见自己喜欢的颜色挪不动脚不论什么时候买东西都要先挑颜色和外观,我也算是“外貌协会...
发表于 03-25 13:57 2387次 阅读
颜色party的种草,三星Gear IconX无线耳机