كيف تصمم دبوس Pogo للشحن لسماعات الأذن TWS؟
تعد سماعة TWS Wireless Bluetooth إحدى المنتجات الذكية القابلة للارتداء التي يفضلها الرجال والنساء والأطفال في السنوات الأخيرة. إنه صغير ورائع وسهل الشحن وله أشكال مختلفة. يمكن شحنها عن طريق وضعها في حجرة الشحن. أحد المكونات الأساسية في حجرة شحن سماعة الرأس TWS Bluetooth هو دبوس بوجوبن بوجو. يمكن شحن سماعات الأذن TWS من خلال التلامس بين الطرف الأنثوي من دبوس البوجو والطرف الذكر في حجرة الشحن. 80 بالمائة من العلامات التجارية في السوق تختار استخدام دبوس البوجو.
صندوق شحن سماعة الرأس TWS هو سيناريو مثالي للشحن اللاسلكي منخفض الطاقة. تحتوي سماعة الرأس اللاسلكية TWS التي تدعم الشحن اللاسلكي على وحدة استقبال شحن لاسلكية مدمجة في صندوق الشحن ، والتي يمكن وضعها على الشاحن اللاسلكي للشحن مثل الهاتف المحمول الذي يشحن لاسلكيًا ، مما يحقق الشحن اللاسلكي. تتمتع الوظيفة "اللاسلكية حقًا" الخاصة بتقنية Bluetooth بالإضافة إلى الشحن اللاسلكي بتجربة مستخدم أفضل وتعتبر الشكل النهائي لسماعات Bluetooth اللاسلكية الحقيقية TWS.
الآن تنقسم سماعات TWS تقريبًا إلى أنواع شبه داخل الأذن بمقابض طويلة وأشكال حبوب من نوع القوقعة في تصميم رأس سماعة الرأس. شكل سماعات الأذن محدود نسبيًا ، لذا أصبح تصميم الشحن والشحن نقطة انطلاق. الصورة صحيحة لقد حققت حجرة الشحن القليل من الابتكار ، باستخدام عملية التشكيل بالحقن بلونين ، والمظهر الداكن والشفاف ، وتصميم الملمس الداخلي ، ومع شاشة العرض ، مما يخلق إحساسًا عالي الجودة وعالي التقنية!
كيف تتغلب على تحديات التصميم السبعة لسماعات TWS؟
فيما يلي بعض النصائح للمساعدة في حل بعض أصعب التحديات في تصميم سماعات الرأس TWS ، من تقليل فقدان الطاقة إلى تمديد وقت الانتظار.
منذ إطلاق Apple AirPods في عام 2016 ، نما سوق الاستريو اللاسلكي الحقيقي (TWS) بأكثر من 50 بالمائة سنويًا. يضيف صانعو هذه السماعات اللاسلكية الشهيرة بسرعة المزيد من الميزات (إلغاء الضوضاء والنوم ومراقبة الصحة) للتمييز بين منتجاتهم ، ولكن إضافة كل هذه الميزات قد يكون صعبًا من وجهة نظر هندسة التصميم. في هذه المقالة ، سأراجع هذه التحديات.
التحدي الأول: تقليل فقدان الطاقة من خلال الشحن الفعال
يتمثل التحدي الرئيسي الذي تواجهه سماعات الأذن اللاسلكية في تحقيق إجمالي وقت تشغيل أطول عندما تكون سماعات الأذن في حجرة البطارية مشحونة بالكامل. في هذه الحالة ، يُترجم إجمالي وقت اللعب الأطول إلى عدد الدورات التي يمكن أن تشحنها العلبة لسماعات الأذن طوال عمرها الافتراضي. الهدف هو تمكين الشحن الفعال مع تقليل استهلاك الطاقة من علبة الشحن إلى سماعات الأذن.
تُخرج علبة الشحن جهدًا من البطارية كمدخل لشحن سماعات الأذن. الحل النموذجي هو محول تعزيز بإخراج ثابت 5 فولت ، وهو حل بسيط ولكنه لا يحسن كفاءة الشحن. نظرًا لأن بطاريات سماعات الأذن صغيرة جدًا ، غالبًا ما يستخدم المصممون أجهزة الشحن الخطية. عند استخدام إدخال ثابت 5 فولت ، تكون كفاءة الشحن منخفضة جدًا - حوالي (V في - 5 الخفافيش) / 5 بوصات - وتنتج انخفاضًا كبيرًا في الجهد الكهربي للبطارية. قم بتوصيل متوسط جهد بطارية Li-Ion 3.6 فولت (نصف مفرغة) ومدخل 5 فولت فعال بنسبة 72 بالمائة فقط.
على العكس من ذلك ، فإن استخدام دفعة خرج قابلة للتعديل أو محول باك-Boost في علبة الشحن ينتج جهدًا أعلى بقليل من نطاق الجهد النموذجي لسماعات الأذن. يتطلب ذلك الاتصال من علبة الشحن إلى سماعات الأذن ، مما يسمح لجهد خرج علبة الشحن بالتكيف ديناميكيًا مع بطارية سماعات الأذن مع زيادة الجهد. سيؤدي ذلك إلى تقليل الخسائر وزيادة كفاءة الشحن وتقليل الحرارة بشكل كبير.
التحدي 2: تصغير الحل الشامل دون إزالة الوظائف
التحدي الثاني هو التحدي العام لتصميم بطارية صغيرة - كيفية تصميم بطارية صغيرة الحجم وكبيرة الحجم في نفس الوقت. الحل البسيط هنا هو اختيار جهاز به مكونات أكثر تكاملاً. على سبيل المثال:
شاحن خطي عالي الأداء يدمج قضبان طاقة إضافية لتشغيل كتلة النظام الرئيسية وهو خيار جيد لسماعات الرأس اللاسلكية.
بالنسبة للوحدات المتعطشة للطاقة والجهد المنخفض مثل المعالجات ووحدات الاتصالات اللاسلكية ، فإن قضبان التبديل هي أفضل خيار لتحقيق الكفاءة.
بالنسبة لكتل المستشعرات التي لا تتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة ولكنها تحتاج إلى ضوضاء منخفضة ، ففكر في استخدام منظم منخفض التسرب.
إذا كانت سماعات الرأس اللاسلكية الخاصة بك تدمج مستشعرات أمامية تمثيلية لقياس الأكسجين في الدم ومعدل ضربات القلب ، فقد تحتاج أيضًا إلى محول تعزيز.
قم بدمج قضبان طاقة إضافية في الشاحن لتقليل عامل الشكل الخاص به. ومع ذلك ، هناك دائمًا مفاضلة بين دمج المزيد للأحجام الأصغر واستخدام المزيد من الدوائر المتكاملة المنفصلة (ICs) من أجل المرونة.
التحدي 3: تمديد وقت الانتظار
يعد وقت الانتظار أمرًا مهمًا لأن المستهلكين يتوقعون من سماعات الرأس تشغيل الموسيقى حتى بعد فترات طويلة من عدم النشاط خارج علبة الشحن. ضع في اعتبارك استخدام بطاريات ليثيوم أيون عالية الكثافة للطاقة في سماعات الأذن ، والتي عادةً ما تكون ذات جهد أعلى ، مثل 4.35 فولت و 4.4 فولت ، بحيث يمكن تخزين المزيد من الطاقة. الشحن الكامل يزيد أيضًا من وقت الاستعداد. سيساعد شاحن البطارية الذي يتميز بتيار إنهاء صغير ودقة عالية في إطالة وقت الاستعداد. إذا كان هناك تغيير كبير في المواصفات الحالية للإنهاء ، فقد ينتهي بك الأمر بتيار إنهاء أعلى ، مما قد يؤدي إلى الإنهاء المبكر والبطارية المنخفضة.
بطارية 41mAh منتهية بـ 1mAh مقابل 4mAh. إذا كان تيار الإنهاء الاسمي 1mA يختلف على نطاق واسع وينتهي فعليًا عند 4mA ، فستظل سعة البطارية 2mAh غير مستغلة. يعمل تيار الإنهاء المنخفض والدقة الأعلى على زيادة سعة البطارية الفعالة.
يعد التيار الهادئ المنخفض (IQ) مهمًا أيضًا لإطالة وقت الانتظار في أوضاع التشغيل المختلفة. سيمنع شاحن IC مع مسار طاقة وتيار وضع شحن قريب من الصفر البطارية من النفاد قبل وصول المنتج إلى المستهلك ، مما يتيح الاستخدام الفوري. يتطلب مسار الطاقة وضع ترانزستورات ذات تأثير ميداني من أكسيد المعادن وأشباه الموصلات بين البطارية والنظام لإدارة مسارات النظام والبطارية ، على التوالي.
عندما تقوم سماعات الأذن بتشغيل الموسيقى أو الخمول ، يجب أن يكون الاستهلاك الحالي للنظام صغيرًا قدر الإمكان. العثور على شاحن منخفض أقوم أيضًا بتقليل I للنظام. على سبيل المثال ، غالبًا ما تتطلب شواحن البطاريات شبكة مقاومة ذات معامل درجة حرارة سالبة (NTC) لقياس درجة حرارة البطارية.
لا يمكن لبعض الحلول الموجودة في السوق إيقاف تشغيل تيار NTC عند العمل في وضع البطارية. إما أنها تتسرب كثيرًا (يمكن أن يتجاوز التسرب 200 درجة مئوية عندما تحتوي شبكة NTC على 20 كيلو أوم) أو تتطلب إدخالاً / إخراجًا إضافيًا وإيقاف تشغيلها باستخدام مفتاح.
التحدي الرابع: تصميم الأمان
غالبًا ما يكون لدى مصنعي حزم البطاريات إرشادات لشحن البطاريات في درجات حرارة مختلفة ، ويجب أن تظل البطاريات في مناطق التشغيل الآمنة أثناء الاستخدام. يتطلب البعض ملفًا شخصيًا قياسيًا حيث يتوقف الشحن خارج حدود درجة الحرارة الساخنة والباردة. على سبيل المثال ، قد تطلب الشركات الأخرى معلومات محددة من جمعية الإلكترونيات وتكنولوجيا المعلومات اليابانية. للامتثال لملفات تعريف درجة الحرارة هذه ، ابحث عن ملف تعريف مع إمكانية البرمجة المدمجة الضرورية أو بعض قابلية برمجة I2C. يحتوي BQ21061 و BQ25155 على سجلات لضبط نافذة درجة الحرارة والإجراءات التي يجب اتخاذها في نطاق درجة حرارة معينة.
يُعد قفل الجهد المنخفض للبطارية (UVLO) ميزة أخرى للسلامة تمنع البطارية من الإفراط في تفريغها وبالتالي الضغط عليها. بمجرد أن ينخفض جهد البطارية عن عتبة معينة ، يقطع UVLO مسار التفريغ. على سبيل المثال ، بالنسبة لبطارية Li-Ion المشحونة بجهد 4.2 فولت ، فإن عتبة القطع الشائعة هي 2.8 فولت إلى 3 فولت.
التحدي الخامس: ضمان موثوقية النظام
تسببت موثوقية النظام المنخفضة في تعطل بعض المعالجات الدقيقة عند توصيل المستخدم بالمحول. في حين أن هذا نادر الحدوث ، فإنه يتطلب إعادة تعيين طاقة النظام حتى يتمكن المعالج الدقيق من إعادة التشغيل والعودة إلى الوضع الطبيعي. تدمج بعض شواحن البطاريات جهاز ضبط وقت مراقبة الأجهزة الذي يقوم بإعادة تعيين الأجهزة أو دورة الطاقة (إن لم يكن) يتم اكتشاف معاملتين C في وقت ما بعد توصيل المحول من قبل المستخدم. بعد إعادة تعيين النظام ، يتم فصل مسار الطاقة وإعادة توصيله بالبطارية والنظام.
على غرار جهاز ضبط وقت مراقبة الأجهزة ، يساعد مؤقت مراقبة البرامج التقليدي أيضًا على تحسين موثوقية النظام من خلال إعادة تعيين سجل الشاحن إلى قيمته الافتراضية بعد فترة من عدم وجود معاملات في جهازي. تمنع عملية إعادة الضبط هذه شحن البطارية بشكل غير صحيح عندما يكون المعالج الدقيق في حالة خلل.
التحدي السادس: مراقبة أفضل مناطق التشغيل
التحدي السادس هو مراقبة معلمات النظام ، والتي يمكن تحقيقها بكفاءة من خلال محول تناظري رقمي مدمج عالي الدقة (ADC). يعد قياس جهد البطارية معلمة جيدة لأنه يوفر تمثيلًا مناسبًا ، وإن كان تقريبيًا ، لحالة شحن البطارية. كقاعدة عامة ، إذا كانت حالة الشحن التي تتطلبها سماعة الرأس اللاسلكية أعلى من ± 5 بالمائة.
يتيح لك ADC المدمج عالي الدقة أيضًا مراقبة درجة حرارة البطارية واللوحة واتخاذ إجراءات بشأنها أثناء الشحن والتفريغ. تشمل المعلمات الأخرى التي يمكن للشاحن مراقبتها جهد الإدخال / التيار ، وشحن الجهد / التيار ، وفولطية النظام. يساعد المقارن المدمج أيضًا بشكل ملائم في مراقبة معلمات محددة وإرسال المقاطعات إلى المضيف. إذا كانت المعلمة ضمن النطاق الطبيعي ولم يتم تشغيل المقارنة ، فلن يتعين على المضيف قراءة المعلمة محل الاهتمام باستمرار. يعد BQ25155 مثالًا جيدًا لمراقبة معلمات النظام لأنه يحتوي على ADC والمقارن.
التحدي 7: تبسيط الاتصال اللاسلكي
تحتوي بعض سماعات الأذن اللاسلكية على ميزة تعرض حالة شحن سماعات الأذن وعلبة الشحن على الهاتف الذكي عندما تكون سماعات الأذن في علبة الشحن والغطاء مفتوحًا. لدعم ذلك ، يجب على سماعات الأذن الإبلاغ عن حالة الشحن بمجرد توصيلها بالعلبة ، حتى لو نفدت طاقة البطارية. يجب أن تكون الشريحة الرئيسية مستيقظة للإبلاغ عن حالة الشحن ، لذلك في هذه الحالة ، يجب أن يقوم مصدر الطاقة الخارجي بتشغيل سماعات الأذن. يتيح الشاحن ذو مسار الطاقة للنظام الحصول على جهد أعلى من VBU أثناء شحن البطارية بجهد أقل.
العديد من ميزات شاحن سماعة الرأس اللاسلكية (مثل وضع الشحن ، وإعادة ضبط طاقة النظام ، و UVLO للبطارية ، والتيار الطرفي الدقيق ، والإبلاغ الفوري عن حالة الشحن) غير ممكنة بدون إمكانية مسار الطاقة ، الأمر الذي يتطلب وضع البطارية والنظام A MOSFET بينهما لإدارة النظام ومسارات البطارية بشكل منفصل. يوضح الشكل 5 الشاحن مع وبدون مسار طاقة.
يمكن رؤية أجهزة الشحن والتحويل الخطي في تصميم علبة الشحن اعتمادًا على حجم البطارية ومعدل الشحن. تعد أجهزة التحويل أكثر كفاءة وتولد حرارة أقل ، وهو أمر مهم للتيارات العالية التي تبلغ 700 مللي أمبير وما فوق. عادةً ما يأتي تبديل أجهزة الشحن مع وظيفة تعزيز أو متابعة متكاملة تعزز جهد البطارية وتوفر جهد الدخل لشحن سماعات الأذن. تعتبر أجهزة الشحن الخطية أيضًا خيارًا جيدًا لصناديق البطاريات ذات المستوى الحالي المنخفض لأنها توفر تكلفة منخفضة ونسبة ذكاء منخفضة.
تقدم المعينات السمعية القابلة لإعادة الشحن تحديات تصميم مماثلة. عادة ما تكون أصغر من سماعات الأذن لذا فهي غير مرئية وبالتالي تتطلب تكاملًا أكبر للطاقة في منطقة أصغر. كما أنها تتطلب قضبان طاقة منخفضة الضوضاء ، بما في ذلك طوبولوجيا مكثف بتبديل ، للحصول على وضوح صوتي فائق.