随着电池续航能力的增强、相关功能体验的完善、更精致的外观设计以及更亲民的价格等因素,真无线蓝牙立体声(TWS)耳机变得越来越具有吸引力。Canalys数据称,2019年第三季度,TWS出货量超4300万,同比增速达到183%。

耳机制造商也更专注于微型化以及设计改良,并且快速补充新性能用以改善用户体验,从而在竞争激烈的市场中锁定最有需求的消费人群。

如上图,这种新型入耳式耳机乍一看相当普通,其实不然。其内部需求相当多的小型化智能化的电子模块,并且功能特点要迎合用户习惯。

如果我们认真思考一下TWS耳机在日常生活中的应用,其实有很多方法可以用来增强用户界面集成度和提升用户体验满意度。

TWS耳机设计中面临的一个主要问题是播放时间。由于TWS内部空间限制,允许电池容量(25-80mA/h)仅支持播放2-4小时,一旦电池耗尽,下次使用前就需要重新充电。

目前,高端TWS耳机出货都会配备充电盒,而不再传统的有线充电方式。充电盒内含大容量电池,同时可充当便携式耳塞盒的角色,既能避免耳塞遗失,又可以随时随地为耳塞充电。

这种充电盒/耳塞的组合搭配可以保证电池随时处于满载状态,完全不会出现健身时发现耳塞没电这种令人诅丧的状况。另一用户体验改善体现在耳塞的自动启动和配对,在耳塞佩戴过程中就已经完成蓝牙配对,且不需要操作按键。

实现TWS耳机智能化及友好功能界面的关键技术是充电盒底座与耳塞之间的数据交换。

如上图所示,微处理器(MCU)始终处于工作状态并有静态功耗产生,从而需要不间断供电。充电盒可以检测耳塞电量并对其自动充电。反之亦然,若耳塞检测到充电盒没电了,它会自动通过蓝牙告知用户需要对充电盒充电。

在自启动和配对功能方面,智能连接也非常重要。如果充电盒通知耳塞盒盖已经打开,耳塞就会从睡眠模式自动醒来并准备进行蓝牙配对,这样就不需要再通过耳塞上的按钮去启动。

除了以上这些体验,目前市场上一些功能强大且与众不同的产品所展现的一些功能也可以实现,比如充电盒和耳塞之间的连接可以实现优化的工业设计、软件更新、耳塞个性化设计(如耳塞的命名、EQ数据)、音乐文件的传输等等。

为了更清晰直接地了解该技术的实现方法,接下来做更深入细致的介绍。

充电盒端最重要的当属锂电池和充电模块,用以保证其可连接至USB插口使用标准5V电压对电池进行充电。电源管理模块(比如LDO和DCDC转换器)可以为MCU以及充电盒内其它设备提供所需的电压,另外还需要特别为耳塞充电提供专用的5V电压。始终处于工作状态的MCU充当中央控制单元,并负责与其它传感器(盒盖检测、耳塞检测)连接,同时获取充电盒电池的最新状态。

当有事件触发(比如打开盒盖、放回耳塞或者耳塞发出的任何请求),MCU会对耳塞发出命令和数据或者与耳塞之间进行信息交互。

耳塞端的功能拓朴基本相似,蓝牙SOC需要参与进来,这样耳塞和充电盒内的MCU之间可以进行通讯和信息交换。

此外还可以在耳塞内植入其它传感器,例如用于检测耳塞插入的接近传感器、加速度传感器、健身器材用的心率传感器、温度传感器以及触控传感器。

如图2所示,充电盒和耳塞的智能化功能需要很多接触点来实现。由此将会给设计带来很多困难:为了提高客户接受度,TWS耳机相比于有线耳机外观上不能太大,那么这些额外增加的接触点势必需要设计者在功能和外观空间结构上做出取舍。此外,如果需要在耳机上放置多个电极,则会对限制设计灵活性以及外观。虽然BLE(低功耗蓝牙)技术可以在某种程度上避免使用这些接触点,但随之带来的高硬件成本和软件工作量是设计者很难接受的。

一种更简洁的解决方式是将标准耳塞的充电接口(5V和接地)进行功能拓展,既可以充电又可以同时进行数据通信,这样既能保证产品结构空间达到预期,又能实现产品智能化并具有友好的用户界面。借助耳塞与智能设备传输信息的能力,可以利用App实现一些拓展功能,以增强用户体验满意度。以下列出了一些示例:

  • 左侧耳塞电池状态
  • 右侧耳塞电池状态
  • 充电盒电池状态
  • 配对状态
  • 耳塞命名以及是否配对
  • 温度
  • 检查充电盒软件版本更新
  • 充电盒电池耗尽通知(尤其是电池是否已经老化)

为了集成上述功能,需要对图 2进行一些修改,这会让系统变得稍微复杂一些。需要找到一种方法,能够利用5V电源线,通过单根线缆来兼顾电力和数据的传输。

图3所示为一个简化的时序图,从中可以看到5V电源线及可直接调制到信号线的数据。主机端提供5V电压,传输到客户端为电池充电,而客户端则可以调制数据,将调制后的数据传输到主机端。在理想情况下,还可以实现半双工通信,客户端和主设备共享同一个电源线来调制数据,从而实现充电盒和耳塞之间的数据交换。

为了正确实现这个单线通信原理,以取代图 2中所示的双线式串行通信接口信号线,需要多种新型系统功能模块。主机端实现这种调制原理最简单的方法是使用线圈来抑制高频调制内容,使用调制电阻将压降调制为5V电源信号线。除了线圈之外,还需要一个数据调制器,它可以由一个简单的电流吸收器实现。

在设计这样的系统时,重要的是在调制电流和电压电平之间的平衡,以确保系统对外部电磁干扰不敏感。另一方面,调制电流也会影响通信系统的总功耗。除了调制电流绝对值之外,另一个棘手但却很重要的参数是调制电流转换速率。陡峭的电流斜坡可能会产生电磁辐射,从而导致手机、蓝牙或FM无线电出现接收问题。与此同时,要求必须遵守相关法规,否则最终产品可能无法获得在某些市场的销售许可。此外,调制器也是数据线读取器,用于从客户端读取调制数据(在图5中以蓝色表示),而绿色数据则表示由主机生成、要发送到客户端的数据。

在此方案中,每个帧被分成64个时隙,将长度为30位的数据从主机传送到客户端,然后反之。每一帧都以由主机生成的同步脉冲开始,这是客户端进行时钟同步所必需的,其原因是主机和客户端不共享同一时钟,因此客户端需要从数据流和同步脉冲中提取时钟。在帧的另一端,客户端使用同步脉冲作为每一帧的终结,以通知主机两个设备完成同步。

毋庸置疑,本示例需要若干预同步时序,这可以是主机检测电路的一部分。为了确保仅在主机和客户端都连接时才会进行数据调制,该功能模块在客户端是必不可少的。为此,可以采取的解决方案是主机发射脉冲以探测客户端是否连接到电源端。一旦“启动同步检测器”检测到同步脉冲,它就会唤醒耳塞中的MCU开始响应同步脉冲,并指示存在有效的客户端,从而开始彼此同步。数据线读取器和数据调制器的功能与主机端的相同,即从主机读取数据和向主机传输数据。

线圈的电感LCLIENT和电阻RMODC用于阻隔高频信号并将数据调制到电源线上。此外,电阻有助于获得更好的信号完整性,如果系统中的信号线较长,则电阻的影响更大。对于短信号走线,传输线和PCB无需阻抗匹配。关于传输线,另一个重要的考虑因素是直流阻抗。为了减少TWS耳塞的充电时间,保持较低的直流阻抗很重要,这样才能避免由充电器输入端的低输入电压引起压降变大,导致充电电流减小。小型线圈通常阻抗较高,这与在保持最低阻抗的目标背道而驰,由此需要最大限度提高充电电流、缩短最终用户充电时间。

面对快速增长的市场需求和激烈竞争,以及不断试图挑战物理设计极限的客户要求,TWS将很快发展到巅峰。兼具微型化与更长电池续航时间是确保TWS系统悄无声息地融入到每个人的生活中的关键要素。这些关键要素产生了针对实现架构方案(如图4所示)的通用问题。

对上述通信接口(数据线读取器、时钟提取单元、数据调制器、启动同步检测器)所需功能进行系统集成不是一项简单的任务。考虑到耳塞内部的尺寸限制,同时无法在最终产品外形中使用分立元件。此外,系统内在固有的复杂性使其开发需要在模拟和数字设计方面的深刻理解和丰富经验。对于很多耳机制造公司而言,巨大的成本投入可能迫使他们放弃新的智能功能。

艾迈斯半导体的POW:COM系统,就是为了降低实现智能TWS系统的壁垒而生。

它由AS3442(主芯片、置于充电盒中)和AS3447(从芯片、置于耳塞中)组成,增加了更多功能,帮助节省设计和开发时间。

AS3442/47采用标准的I2C接口,易于集成,两个芯片之间的通信则采用量身定制的通信接口,以满足上述提到的技术要求。该接口提供1kBit/s的净数据传输速率。这一数据传输速率包括所有必要的开销以及错误处理,以传输无错数据(如电池状态、序列号或用户名)。可以使用简单的I2C命令在充电盒和耳塞之间双向交换数据。

AS3447可以使用内部专用存储空间(“邮箱交换寄存器”)来更新电池电压电平寄存器等。如果耳塞MCU更新了寄存器中的值,则充电盒会自动获得中断并读取该值。这样,充电盒MCU可以持续监测耳塞的电池电压,并决定是否需要充电。

当然,如果充电盒电池没电了,也需要告知耳塞,其过程相同,只是方向相反。除数据交换功能外,该器件还提供多个GPIO,可用于唤醒或控制外部设备(如MCU、蓝牙SoC、外部电池充电器、传感器或LED)。POW:COM系统的集成示例如图6所示。显然,如果使用POW:COM系统而不是如前所示的多个分立式功能块,系统的复杂性会大大缩减。将AS3442和AS3447集成到TWS中,使系统设计者能够轻松实现智能TWS系统,同时满足微型化和延长电池续航时间的需求趋势。

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