真无线耳机高效充电的秘诀：拒绝“头脑发热”

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。