此前,我们分享了《TWS蓝牙耳机为什么会爆发?看完这个分析秒懂》、《TWS蓝牙耳机大爆发:8大芯片品牌推出18款解决方案》两篇文章,在TWS蓝牙耳机从业小伙伴朋友圈广泛传阅,累计过万工程师阅读。今天这篇是TWS蓝牙耳机三部曲的第三篇《如何设计一款优秀的TWS蓝牙耳机充电盒?》。

TWS蓝牙耳机充电盒虽然是耳机附件,但是它的作用至关重要,由于耳机盒设计比较精致,体积较小,导致电池容量不高,需要长途物流、静默搁置,所以超低自放电是一项硬性指标。除此之外耳机盒电源芯片高集成度、安全性、性价比等也是工程师关注的重要方向。

 

下面我们将从TWS耳机充电盒内部构造、TWS耳机充电盒顶针的用途、TWS充电盒芯片案例等方面进行深度介绍,给大家全面解析如何设计一款优秀的TWS蓝牙耳机充电盒。

TWS耳机充电盒内部构造

TWS真无线蓝牙耳机由两只没有线缆,相互独立的耳机和一个为它们充电的耳机充电盒组成。在现今技术中,TWS真无线蓝牙耳机的充电方式基本上都是由耳机充电盒进行充电,一方面是因为耳机小巧的内部无法容纳更大的电池,另一方面是充电插座和其它元件都会占用更大的空间。

1、电源PCBA

TWS耳机充电盒里面的电源PCBA主要有两大用途,既要负责充电盒内部电池充电,还需要负责充电盒内部电池升压输出为耳机充电。此外还肩负安全防护,防止内置锂电池过充、过放、短路、过流等保护功能。
首先,控制外部电源给TWS耳机电池盒充电,将外部充电器电量充入锂离子电池。这里的外部充电器主要为5V的充电器,如常见的手机适配器,接口为MicroUSB或USB-C,然后降压转化为锂离子电池所需的4.2V电压进行充电,此外还有4.3V或4.35V多个规格。充电芯片有分为线性和开关两种,其中开关充电效率高、发热低,是目前主流的充电方式。
其次,TWS耳机电池盒电源PCBA还需要对外给TWS蓝牙耳机供电,这时又会将锂离子电池升压为5V,然后输出给耳机,耳机通过内部的充电电路完成对内置电池的充电。如此一来,当TWS耳机需要用电的时候,就可以放回充电盒自动补充电量。
充电盒升压芯片也分为同步和非同步两种,其中同步架构的效率高、发热低,非同步整流效率低一些,和移动电源的道理是一样的。

2、电池

据我爱音频网拆解,TWS蓝牙耳机充电盒经常使用的电池有两大类,聚合物电池和圆柱电池。
最为常见的是锂离子聚合物电池,这个在业内又称为软包电池,这类电池跟手机上使用的一样。常见的形态都为方块状,由于电池尺寸可以灵活定制,适合设计小巧、轻薄的电池盒。
除此之外,18650电池也有在充电盒中也有大量使用。这类电芯直径为18mm,长度为65mm,外观酷似圆柱体,因此业内也叫圆柱电池。18650电池是行业的通用标准,适合大规模批量制造,因此在很多行业都有大量采用,包括大名鼎鼎的特斯拉电动车。
18650电池的单体容量从2000mAh-3500mAh都有,可选的容量段丰富,用于TWS蓝牙耳机充电盒可给耳机提供更多续航时长。但是其体积比较大,用于设计TWS蓝牙耳机充电盒会略厚。

3、外壳

TWS蓝牙耳机充电盒的外壳腔体用于固定、保护内部耳机、电路、电池,属于非常精密的结构部件。从图片上可见,里面内置了众多骨架和扣位,一方面起到加强壳体强度,另外做到严丝合缝。此外,有的电池盒还预留了暗埋磁铁的槽位,用于翻盖自动吸附,以及耳机收纳时固定。

TWS耳机充电盒顶针的用途

TWS充电盒中的金属触点,英文名为Pogo Pin,这个章节我们来聊关于顶针的设计。有些厂商是将其单独放在一个小板上,大多数还是直接在主板上板载顶针。在TWS耳机充电盒上,我们有见过多种规格的顶针,有2根、3根、5根等等。通过查阅我爱音频网拆解报告可见,顶针使用具有规律性,整体分为两根针和三根及更多针。那么这么多顶针分别是什么用途呢?

1、两根顶针

两根顶针的设计是面前市面上最为常见的,这个设计可以满足TWS耳机充电刚需。两个顶针分别为正极和负极,用于将TWS充电盒电池仓的电量输送给耳机。这样一来,如将TWS作为通话蓝牙耳机使用时,一只耳机在工作,另一只耳机可以放入充电仓补充电量;如此循环使用,可以满足超长续航需求。
2、三根顶针
三根顶针的设计也比较常见。对于方案设计,用于耳机盒跟耳机通讯,耳机盒知道耳机的充电状态、对码、了解耳机状况。对于产线测试,可以配合耳机盒上的MicroUSB/USB-C接口,配合自动化测试设备,来测试耳机的综合指标。 ​​​​
3、五根顶针
而五根顶针的这种设计,兼顾了以上两种用途,还具备更多功能。这类设计在高端的TWS蓝牙耳机才能看到,比较少见。除了具备三根顶针的方案设计、产线测试等需求外,还可用于耳机内部存储的数据传输、耳机固件升级等功能。
TWS充电盒芯片有哪些
通过我爱音频网拆解发现,TWS蓝牙耳机充电盒内部构造是一个小容量的充电宝,包含了充放电电路、保护电路、电池三部分。相比充电宝电路而言,对小电流输出效率和静态低功耗的控制显得格外重要。
不少电源芯片原厂基于原有的产品线做下升级,就能应用到这类产品当中。目前这块市场的被以下品牌占据,如钰泰、英集芯、德州仪器、思远、矽力杰等都有爆款解决方案。
我们整理了部分TWS蓝牙耳机充电盒典型应用案例,资料如下。
据我爱音频网统计,目前共有7大主流充电盒电源IC厂商,20款主流电源IC。接下来我们带大家一起了解目前市面上主要几款TWS真无线蓝牙耳机的充电盒电源管理IC(按品牌名称首字母排序)。
一、ETAsolutions钰泰
ETAsolutions钰泰半导体,是国内知名电源管理设计公司。其优秀的设计团队来自Maxim顶尖设计人员独立创业,专注于DC/DC 技术领域。公司创立于2008年,于香港和上海两地注册,在上海张江高科技园区设有研发及运营中心。 钰泰科技于2009年率先推出业内第一款同步升压/降压IC,成功地在中国的电源市场占有一席之地。
1、ETAsolutions钰泰ETA6884
ETAsolutions钰泰ETA6884充放电三合一电源管理IC。这是上海钰泰最新推出的单芯片方案,其采用了全新的架构,高达20V的输入耐压,开放的端口定义,2.4A输出能力,以满足不同工程师的应用要求。不仅如此,其充分开放了应用工程师所需的端口,全新的产品风格和充放电路径翻转功能,三态EN控制,精准电量显示。
2、ETAsolutions钰泰ETA9638
ETAsolutions钰泰ETA9638是一颗通用的、集成了锂电池充电和USB-OTG升压、输出能力达5V/1A的PMU。可广泛用于平板电脑、MiFi、移动电源等使用锂电池作为电源又需要USB接口对外供电的电子系统中。
另外,针对移动电源应用,ETA9638无需外围搭配MOSFET、DW01、肖特基等器件,解决了一个移动电源的几乎所有需求,极大的降低了系统总成本,并提升系统厂商的生产效率。
3、钰泰ETA9640
钰泰ETA9640是一个高集成度电源管理单元,它含有一个高效的同步升压变换器和一个线性电池充电器功能。在锂电池输入条件下,升压电路可提供高达 5V-1A 的输出能力,而充电器能从 AC 适配器获得 1A 的充电能力。
在停机状态下,短路时,或者其他不可靠的情况发生时,升压电路会自动关断输入至输出的环路。这不仅省略了一个外部的 MOSFET,并且这个控制环路为芯片在各种过载情况下,提供了可靠的保护能力。
二、INJOINIC英集芯
英集芯科技有限公司是一家专注于高性能、高品质的数模混合集成电路芯片研发和销售的IC设计公司。其优秀的设计团队来自世界知名大型IC设计公司,拥有10年以上先进的数模混合芯片的设计、生产和测试技术经验。英集芯科技在电源管理,电池管理,无线信号处理和高性能音频信号处理等领域有独特技术。
1、INJOINIC英集芯IP5305
IP5305这是INJOINIC英集芯专门为TWS蓝牙耳机充电盒设计的电源管理芯片,可监测到5mA级别电流,是一款集成升压转换器、锂电池充电管理、电池电量指示的多功能电源SOC。IP5305支持1A同步升压转换,1.2A同步开关充电,升压效率高达91%,充电效率高达93%,并且内置电源管理路径,支持边充边放。
具备输出过流、过压、短路保护,输入支持过压、过充、过放保护,整机具有过温保护等。该芯片具有高集成度与丰富的功能,使用时仅需少量的外围器件,可有效减小整体方案的尺寸,降低BOM成本。
三、Maxim美信
美信半导体是MaximIntegrated的中文名,是半导体制造供应商,成立于1983年。公司总部在美国加州。2001年,Maxim并购了Dallas Semiconductor。Maxim的使命是提供极具创新的模拟和混合信号解决方案,为客户的产品提供增值服务。公司在欧洲、亚洲、美国建立分支机构,在中国的办事处有北京、上海、深圳三处。
1、Maxim美信MAX77650
Maxim美信MAX77650 PMIC,具有一路升降压和三路稳压输出,且输出电压可编程,并可对电池充电。提供高度集成电池充电和电源方案,用于尺寸和效率至关重要的低功耗可穿戴应用。具有SIMO升/降压调节器,提供三路独立可编程电源轨,采用单电感,最大程度减小方案尺寸。150mA LDO提供纹波抑制,适用于音频和其它对噪声敏感的应用。
四、SG Micro圣邦微
SG Micro圣邦微电子是一家专注于高性能、高品质模拟集成电路研发和销售的半导体公司。圣邦微的技术团队由行业的国际资深专家组成,他们拥有先进的模拟集成电路设计能力,丰富的工艺、生产、测试的管理经验及一套完整的可靠性测试流程。圣邦微产品高达16大类1000多款,全部符合欧盟RoHS标准和绿色环保标准。它的通用模拟IC产品性能优良、品质卓越,达到国际一流厂商的先进水平,部分产品性能更是遥遥领先国际水准。
1、SG Micro圣邦微SGM40561
SG Micro圣邦威SGM40561高压输入单节锂离子电池充电芯片,最高输入耐压30V,有效防止浪涌损坏。支持4.2/4.3/4.35V锂电池或者聚合物锂电池充电。无需外部防反接二极管,提供节省空间的TDFN-2×2-8L封装,得益于超小体积,在TWS耳机盒中使用广泛。
五、Silergy矽力杰
Silergy矽力杰股份有限公司成立于2008年2月,总部位于美国硅谷Sunnyvale,国内目前设有杭州、西安、南京、上海、厦门、北京、成都等研发中心,销售团队以深圳为核心,分布于华南、华东、华北各地。 矽力杰一直致力于高功率密度高效率电源芯片的研发,产品广泛应用于消费电子、通讯电子类设备、计算机等领域。
1、Silergy矽力杰SY6918B
Silergy矽力杰SY6918B是一颗高效率双向升降压单芯片,可为主流电子设备充电,输入输出均为5V 1A。其内部集成功率开关管,功率路径管理,外围元件简洁。它不仅适用于大电流高效率的应用场合,还能支持小电流充电模式,是一款性价比非常高的TWS蓝牙耳机充电盒主控。
六、TI德州仪器
TI美国德州仪器公司,是世界上最大的模拟电路技术部件制造商,全球领先的半导体跨国公司,以开发、制造、销售半导体和计算机技术闻名于世,主要从事创新型数字信号处理与模拟电路方面的研究、制造和销售。除半导体业务外,还提供包括传感与控制、教育产品和数字光源处理解决方案。德州仪器(TI)总部位于美国德克萨斯州的达拉斯,并在25多个国家设有制造、设计或销售机构。
1、TI德州仪器BQ21040
TI德州仪器BQ21040是一款0.8A、单输入、单节锂离子和锂聚合物电池充电芯片。面向空间受限类便携式应用的高度集成锂离子和锂聚合物线性 电池充电器的理想选择。此器件可由一个 USB 端口或交流适配器供电运行。具有输入过压保护的高输入电压范围支持低成本、未稳压的适配器。
2、TI德州仪器BQ24073
TI德州仪器BQ24073路径管理充电IC,这颗芯片输出电压最高为4.4V,通过USB端口或交流适配器运行,最高支持1.5A 的充电电流。它在输入电压范围内具有输入电压保护功能,因此支持非稳压适配器。
3、TI德州仪器BQ24232H
TI德州仪器BQ24232H是高度集成的锂离子线性充电器和系统电源路径管理IC,可由一个 USB 端口或交流适配器供电运行并支持 25mA 至 500mA 的充电电流。具有输入过压保护功能的高输入电压范围支持低成本、未稳压的适配器。
4、TI德州仪器BQ25120
TIBQ25120 是一款高度集成的电池充电管理IC,集成了可穿戴设备的最常用功能:线性充电器、稳压输出、负载开关、通过计时器手动复位以及电池电压监测。该集成降压转换器是一款具有低 IQ 的高效率开关,其采用 DCS 控制技术,可进一步提升轻载效率,负载电流可低至 10µA。
运行和关断期间的低静态电流有助于延长电池寿命。该器件支持 5mA 至 300mA的充电电流。输入电流限制、充电电流、降压转换器输出电压、LDO 输出电压等参数均可通过 I2C 接口进行编程。
此外,TI德州仪器还推出了BQ25120升级版BQ25150,这颗芯片电流从BQ25120的300mA提升到500mA。
七、TPS思远半导体
深圳市思远半导体有限公司,成立于2011年,是一家开发具有自主知识产权的数模混合 信号集成电路设计企业。 以“服务、品质、创新、共赢”为核心理念,为客户提供全方位、优质的电池管理系统级芯片解决方案。
1、TPS思远半导体SY7628/SY7629
TPS思远半导体SY7628/SY7629是一款专为小容量锂电池充电/放电应用设计的单芯片解决方案IC,集成了充电电流0.5A(可订制0.25A、1A版本)的开关充电管理模块,最大放电电流1.2A的同步升压放电管理模块,内置功率MOS。这套电池供电系统,广泛应用在蓝牙设备中。
SY7628/SY7629充电电流可调,同步升压效率高,静态功耗低,提高电池使用寿命。集成了电池电量检测、LED电量显示模块及按键功能模块,针对小容量锂电池(锂离子或锂聚合物)的应用,提供简单易用的解决方案。
写在最后
由苹果通过AirPods开辟的这个广大的TWS真无线蓝牙耳机市场,催生了一系列配套产业的发展。尤其是在充电盒这一块,几乎是将我们常用的移动电源小型化了,在设计方面也有迹可循。
在市面上几乎每一款优秀的TWS真无线蓝牙耳机都采用充电盒充电,而每一款优秀的充电盒也离不开精心设计的充电方案和优秀的电源管理芯片。不同于耳机上的蓝牙主控芯片,电源管理芯片更加默默无闻地为耳机的每一次使用提供充足的电能,同时守护着耳机的使用安全。