จะออกแบบพิน Pogo สำหรับชาร์จสำหรับ TWS Earbuds ได้อย่างไร?
ชุดหูฟังบลูทูธไร้สาย TWS เป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์สวมใส่อัจฉริยะที่ผู้ชาย ผู้หญิง และเด็กชื่นชอบในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีขนาดเล็กและสวยงาม ชาร์จง่าย และมีรูปร่างต่างกัน สามารถชาร์จได้โดยวางไว้ในช่องชาร์จ หนึ่งในองค์ประกอบหลักในช่องชาร์จชุดหูฟังบลูทูธ TWS คือหมุด pogopin pogo หูฟัง TWS สามารถชาร์จผ่านการสัมผัสระหว่างปลายหมุด pogo ตัวเมียกับปลายตัวผู้ในช่องชาร์จ 80 เปอร์เซ็นต์ของแบรนด์ในตลาดเลือกใช้หมุด pogo
กล่องชาร์จชุดหูฟัง TWS เป็นสถานการณ์การชาร์จแบบไร้สายที่ใช้พลังงานต่ำในอุดมคติ ชุดหูฟังบลูทูธไร้สาย TWS ที่รองรับการชาร์จแบบไร้สายมีโมดูลรับการชาร์จแบบไร้สายในตัวในกล่องชาร์จ ซึ่งสามารถวางบนเครื่องชาร์จไร้สายเพื่อชาร์จเหมือนโทรศัพท์มือถือที่ชาร์จแบบไร้สาย ทำให้สามารถชาร์จแบบไร้สายได้ ฟังก์ชัน "ไร้สายอย่างแท้จริง" ของ Bluetooth พร้อมการชาร์จแบบไร้สายให้ประสบการณ์การใช้งานที่ดีขึ้นและถือเป็นรูปแบบที่ดีที่สุดของชุดหูฟัง Bluetooth ไร้สาย TWS อย่างแท้จริง
ตอนนี้หูฟัง TWS ถูกแบ่งคร่าวๆ ออกเป็นประเภทกึ่งในหู โดยมีด้ามยาวและรูปทรงถั่วงอกแบบ cochlear ในการออกแบบหัวหูฟัง รูปทรงของหูฟังค่อนข้างจำกัด ดังนั้นการออกแบบการชาร์จและการชาร์จจึงกลายเป็นจุดเปลี่ยน รูปภาพถูกต้อง ช่องชาร์จสร้างนวัตกรรมเล็กน้อยโดยใช้กระบวนการฉีดขึ้นรูปสองสี รูปลักษณ์ที่มืดและโปร่งใส และการออกแบบพื้นผิวภายใน และด้วยจอแสดงผลพลังงาน สร้างความรู้สึกไฮเทคคุณภาพสูง!
จะเอาชนะความท้าทายด้านการออกแบบทั้งเจ็ดของหูฟัง TWS ได้อย่างไร
ต่อไปนี้คือเคล็ดลับบางส่วนที่จะช่วยแก้ปัญหาความท้าทายที่ยากที่สุดในการออกแบบหูฟัง TWS ตั้งแต่การลดการสูญเสียพลังงานไปจนถึงการขยายเวลาสแตนด์บาย
นับตั้งแต่เปิดตัว Apple AirPods ในปี 2559 ตลาดสเตอริโอไร้สายที่แท้จริง (TWS) เติบโตขึ้นมากกว่า 50 เปอร์เซ็นต์ต่อปี ผู้ผลิตหูฟังไร้สายยอดนิยมเหล่านี้กำลังเพิ่มคุณสมบัติเพิ่มเติมอย่างรวดเร็ว (การตัดเสียงรบกวน การนอนหลับ และการตรวจสอบสุขภาพ) เพื่อสร้างความแตกต่างให้กับผลิตภัณฑ์ของตน แต่การเพิ่มคุณสมบัติทั้งหมดเหล่านี้อาจเป็นเรื่องยากจากมุมมองทางวิศวกรรมการออกแบบ ในบทความนี้ ผมจะทบทวนความท้าทายเหล่านี้
ความท้าทายที่ 1: ลดการสูญเสียพลังงานด้วยการชาร์จอย่างมีประสิทธิภาพ
ความท้าทายที่สำคัญของหูฟังไร้สายคือการบรรลุเวลาในการเล่นที่ยาวนานขึ้นเมื่อหูฟังเอียร์บัดในช่องแบตเตอรี่ถูกชาร์จจนเต็ม ในกรณีนี้ เวลาเล่นโดยรวมที่นานขึ้นหมายถึงจำนวนรอบที่เคสสามารถชาร์จหูฟังเอียร์บัดได้ตลอดอายุการใช้งาน เป้าหมายคือเพื่อให้สามารถชาร์จได้อย่างมีประสิทธิภาพในขณะที่ลดการใช้พลังงานจากเคสชาร์จไปยังหูฟังเอียร์บัด
กล่องชาร์จจะจ่ายไฟจากแบตเตอรี่เป็นอินพุตเพื่อชาร์จหูฟังเอียร์บัด วิธีแก้ปัญหาทั่วไปคือบูสต์คอนเวอร์เตอร์ที่มีเอาต์พุต 5V คงที่ ซึ่งเป็นวิธีแก้ปัญหาง่ายๆ แต่ไม่ได้เพิ่มประสิทธิภาพการชาร์จ เนื่องจากแบตเตอรี่เอียร์บัดมีขนาดเล็กมาก นักออกแบบจึงมักใช้ที่ชาร์จแบบลิเนียร์ เมื่อใช้อินพุต 5V คงที่ ประสิทธิภาพการชาร์จจะต่ำมาก - ประมาณ (V ใน - 5 ค้างคาว) / 5 นิ้ว - และทำให้แบตเตอรี่มีแรงดันไฟตกมาก เสียบแรงดันแบตเตอรี่ Li-Ion เฉลี่ย 3.6V (ปล่อยประจุครึ่งหนึ่ง) และอินพุต 5V มีประสิทธิภาพเพียง 72 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น
ในทางกลับกัน การใช้บูสต์เอาต์พุตแบบปรับได้หรือตัวแปลงบั๊กบูสต์ในกล่องชาร์จจะสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าช่วงแรงดันไฟปกติของเอียร์บัดเพียงเล็กน้อยเท่านั้น สิ่งนี้ต้องใช้การสื่อสารจากกล่องชาร์จไปยังหูฟัง ซึ่งช่วยให้แรงดันไฟขาออกของกล่องชาร์จเพื่อปรับให้เข้ากับแบตเตอรี่ของหูฟังเอียร์บัดแบบไดนามิกเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสีย เพิ่มประสิทธิภาพการชาร์จ และลดความร้อนลงอย่างมาก
ความท้าทายที่ 2: ลดขนาดโซลูชันโดยรวมโดยไม่ต้องลบฟังก์ชันการทำงาน
ความท้าทายที่สองคือความท้าทายทั่วไปของการออกแบบแบตเตอรี่ขนาดเล็ก - วิธีการออกแบบแบตเตอรี่ที่มีทั้งขนาดเล็กและขนาดใหญ่ วิธีแก้ปัญหาง่ายๆ ที่นี่คือการเลือกอุปกรณ์ที่มีส่วนประกอบแบบบูรณาการมากขึ้น เช่น:
ที่ชาร์จเชิงเส้นประสิทธิภาพสูงที่รวมรางไฟเพิ่มเติมเพื่อจ่ายไฟให้กับบล็อกระบบหลัก และเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับหูฟังไร้สาย
สำหรับโมดูลที่ใช้พลังงานต่ำและใช้พลังงานต่ำ เช่น โปรเซสเซอร์และโมดูลการสื่อสารไร้สาย รางสลับเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดสำหรับประสิทธิภาพ
สำหรับบล็อกเซ็นเซอร์ที่ไม่ต้องการพลังงานมากแต่ต้องการเสียงรบกวนต่ำ ให้พิจารณาใช้ตัวควบคุมการเลื่อนออกที่ต่ำ
หากหูฟังไร้สายของคุณรวมเซ็นเซอร์ส่วนหน้าแบบแอนะล็อกเพื่อวัดออกซิเจนในเลือดและอัตราการเต้นของหัวใจ คุณอาจต้องใช้ตัวแปลงบูสต์ด้วย
รวมรางไฟเพิ่มเติมเข้ากับที่ชาร์จเพื่อทำให้ฟอร์มแฟคเตอร์เล็กลง อย่างไรก็ตาม มีข้อแลกเปลี่ยนระหว่างการรวมเพิ่มเติมสำหรับขนาดที่เล็กกว่าและการใช้วงจรรวม (IC) ที่ไม่ต่อเนื่องมากขึ้นเพื่อความยืดหยุ่น
ความท้าทายที่ 3: ขยายเวลาสแตนด์บาย
เวลาสแตนด์บายมีความสำคัญเนื่องจากผู้บริโภคคาดหวังว่าหูฟังจะเล่นเพลงได้แม้จะไม่ได้ใช้งานเป็นเวลานานนอกเคสชาร์จก็ตาม พิจารณาใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนความหนาแน่นพลังงานสูงในหูฟังเอียร์บัด ซึ่งโดยทั่วไปจะมีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า เช่น 4.35 โวลต์และ 4.4 โวลต์ เพื่อให้สามารถเก็บพลังงานได้มากขึ้น การชาร์จเต็มยังเพิ่มเวลาสแตนด์บายอีกด้วย เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ที่มีกระแสไฟที่ปลายสายเล็กน้อยและมีความแม่นยำสูงจะช่วยยืดเวลาสแตนด์บายได้ หากมีการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่ในข้อกำหนดกระแสไฟสิ้นสุด คุณอาจมีกระแสไฟสิ้นสุดที่สูงกว่า ซึ่งอาจนำไปสู่การสิ้นสุดก่อนเวลาอันควรและแบตเตอรี่เหลือน้อย
แบตเตอรี่ 41mAh สิ้นสุดที่ 1mAh เทียบกับ 4mAh หากกระแสไฟสิ้นสุด 1mA ที่ระบุแตกต่างกันอย่างมากและสิ้นสุดที่ 4mA จริง ความจุของแบตเตอรี่ 2mAh จะยังคงไม่ถูกใช้งาน กระแสไฟสิ้นสุดที่ต่ำกว่าและความแม่นยำที่สูงขึ้นจะเพิ่มความจุของแบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพ
กระแสไฟนิ่งต่ำ (IQ) ก็มีความสำคัญเช่นกันในการยืดเวลาสแตนด์บายในโหมดการทำงานต่างๆ IC เครื่องชาร์จที่มีเส้นทางพลังงานและกระแสไฟโหมดเรือใกล้เป็นศูนย์จะป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่หมดก่อนที่ผลิตภัณฑ์จะถึงมือผู้บริโภค ทำให้ใช้งานได้ทันที เส้นทางพลังงานต้องวางทรานซิสเตอร์ภาคสนามของโลหะออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์ระหว่างแบตเตอรี่และระบบเพื่อจัดการระบบและเส้นทางของแบตเตอรี่ตามลำดับ
เมื่อหูฟังเอียร์บัดกำลังเล่นเพลงหรือไม่ได้ใช้งาน การบริโภคในปัจจุบันของระบบจะต้องน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ การหาที่ชาร์จที่มีประจุต่ำ ฉันยังย่อ I ของระบบให้น้อยที่สุดด้วย ตัวอย่างเช่น เครื่องชาร์จแบตเตอรี่มักจะต้องใช้เครือข่ายตัวต้านทานค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบ (NTC) เพื่อวัดอุณหภูมิของแบตเตอรี่
โซลูชันบางอย่างในตลาดไม่สามารถปิดกระแส NTC เมื่อทำงานในโหมดแบตเตอรี่ อาจมีการรั่วไหลมากเกินไป (การรั่วไหลอาจเกิน 200µ เมื่อเครือข่าย NTC มี 20 kΩ) หรือต้องการ I/O เพิ่มเติมและปิดด้วยสวิตช์
ความท้าทายที่ 4: การออกแบบความปลอดภัย
ผู้ผลิตชุดแบตเตอรี่มักมีแนวทางในการชาร์จแบตเตอรี่ที่อุณหภูมิต่างกัน และแบตเตอรี่ต้องอยู่ภายในพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัยเหล่านี้ระหว่างการใช้งาน บางรุ่นต้องการโปรไฟล์มาตรฐานที่การชาร์จจะหยุดลงนอกขอบเขตอุณหภูมิร้อนและเย็น ตัวอย่างเช่น บริษัทอื่นๆ อาจต้องการข้อมูลเฉพาะจาก Japan Electronics and Information Technology Association เพื่อให้สอดคล้องกับโปรไฟล์อุณหภูมิเหล่านี้ ให้มองหาโปรไฟล์ที่มีความสามารถในการตั้งโปรแกรมในตัวหรือ I twoC บางอย่าง BQ21061 และ BQ25155 มีการลงทะเบียนเพื่อตั้งค่าหน้าต่างอุณหภูมิและการดำเนินการที่ต้องทำภายในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด
การล็อคแรงดันไฟต่ำ (UVLO) เป็นอีกหนึ่งคุณสมบัติด้านความปลอดภัยที่ป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่ถูกคายประจุมากเกินไปและทำให้เครียด เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนด UVLO จะตัดเส้นทางการคายประจุ ตัวอย่างเช่น สำหรับแบตเตอรี่ Li-Ion ที่ชาร์จที่ 4.2V เกณฑ์การตัดทั่วไปคือ 2.8V ถึง 3V
ความท้าทายที่ 5: สร้างความมั่นใจในความน่าเชื่อถือของระบบ
ความน่าเชื่อถือของระบบต่ำทำให้ไมโครโปรเซสเซอร์บางตัวค้างเมื่อผู้ใช้เสียบอะแดปเตอร์ แม้ว่าจะพบได้ยาก แต่ก็ต้องมีการรีเซ็ตกำลังระบบเพื่อให้ไมโครโปรเซสเซอร์สามารถรีสตาร์ทและกลับสู่สภาวะปกติได้ เครื่องชาร์จแบตเตอรี่บางเครื่องรวมตัวจับเวลาจ้องจับผิดการรีเซ็ตฮาร์ดแวร์ที่ทำการรีเซ็ตฮาร์ดแวร์หรือวงจรพลังงาน (ถ้าไม่ใช่) ธุรกรรม C สองรายการจะถูกตรวจพบในบางครั้งหลังจากที่ผู้ใช้เสียบอะแดปเตอร์ หลังจากรีเซ็ตระบบ เส้นทางพลังงานจะถูกตัดการเชื่อมต่อและเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่และระบบอีกครั้ง
คล้ายกับตัวจับเวลาเฝ้าระวังการรีเซ็ตฮาร์ดแวร์ ตัวจับเวลาเฝ้าระวังซอฟต์แวร์แบบดั้งเดิมยังช่วยปรับปรุงความน่าเชื่อถือของระบบด้วยการรีเซ็ตการลงทะเบียนเครื่องชาร์จเป็นค่าเริ่มต้นหลังจากไม่มีการทำธุรกรรมใน twoC เป็นระยะเวลาหนึ่ง การรีเซ็ตนี้จะป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่ชาร์จอย่างไม่ถูกต้องเมื่อไมโครโปรเซสเซอร์อยู่ในสถานะผิดพลาด
ความท้าทายที่ 6: ตรวจสอบพื้นที่ปฏิบัติการที่ดีที่สุด
ความท้าทายประการที่หกคือการตรวจสอบพารามิเตอร์ของระบบ ซึ่งสามารถทำได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลที่มีความแม่นยำสูง (ADC) ในตัว การวัดแรงดันไฟของแบตเตอรี่เป็นพารามิเตอร์ที่ดี เนื่องจากให้ความสะดวก แม้ว่าจะเป็นการประมาณ ซึ่งแสดงถึงสถานะการชาร์จของแบตเตอรี่ ตามหลักการทั่วไป หากสถานะการชาร์จที่จำเป็นสำหรับชุดหูฟังไร้สายนั้นสูงกว่า ±5 เปอร์เซ็นต์
ADC ในตัวที่มีความแม่นยำสูงยังช่วยให้คุณตรวจสอบและดำเนินการกับอุณหภูมิแบตเตอรี่และบอร์ดระหว่างการชาร์จและการคายประจุ พารามิเตอร์อื่นๆ ที่เครื่องชาร์จสามารถตรวจสอบได้ ได้แก่ แรงดันไฟขาเข้า/กระแสไฟ แรงดันไฟ/กระแสชาร์จ และแรงดันไฟของระบบ ตัวเปรียบเทียบในตัวยังช่วยตรวจสอบพารามิเตอร์เฉพาะอย่างสะดวกและส่งการขัดจังหวะไปยังโฮสต์ หากพารามิเตอร์อยู่ภายในช่วงปกติและตัวเปรียบเทียบไม่ถูกทริกเกอร์ โฮสต์ก็ไม่จำเป็นต้องอ่านพารามิเตอร์ที่สนใจอย่างต่อเนื่อง BQ25155 เป็นตัวอย่างที่ดีในการตรวจสอบพารามิเตอร์ของระบบ เนื่องจากมี ADC และตัวเปรียบเทียบ
ความท้าทายที่ 7: ลดความซับซ้อนของการเชื่อมต่อไร้สาย
หูฟังไร้สายบางรุ่นมีคุณสมบัติที่แสดงสถานะการชาร์จของหูฟังและกล่องชาร์จบนสมาร์ทโฟนเมื่อหูฟังอยู่ในกล่องชาร์จและฝาเปิดอยู่ เพื่อรองรับสิ่งนี้ หูฟังต้องรายงานสถานะการชาร์จทันทีที่เสียบเข้ากับเคส แม้ว่าแบตเตอรี่จะหมด ชิปหลักจะต้องทำงานเพื่อรายงานสถานะการชาร์จ ดังนั้นในกรณีนี้ แหล่งพลังงานภายนอกจะต้องจ่ายไฟให้กับหูฟังเอียร์บัด เครื่องชาร์จที่มีทางเดินไฟช่วยให้ระบบได้รับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นจาก VBU ในขณะที่ชาร์จแบตเตอรี่ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำลง
คุณสมบัติหลายอย่างของที่ชาร์จหูฟังแบบไร้สาย (เช่น โหมดจัดส่ง การรีเซ็ตพลังงานระบบ UVLO ของแบตเตอรี่ กระแสไฟขั้วที่ถูกต้อง และการรายงานสถานะการชาร์จทันที) ไม่สามารถทำได้หากไม่มีความสามารถในการจ่ายไฟ ซึ่งต้องใช้ทั้งแบตเตอรี่และระบบ A MOSFET ในระหว่างนั้นเพื่อจัดการระบบและเส้นทางของแบตเตอรี่แยกจากกัน รูปที่ 5 แสดงอุปกรณ์ชาร์จแบบมีและไม่มีสายไฟ
สามารถเห็นการสลับและเครื่องชาร์จเชิงเส้นในการออกแบบเคสสำหรับชาร์จขึ้นอยู่กับขนาดแบตเตอรี่และอัตราการชาร์จ เครื่องชาร์จแบบสวิตชิ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าและสร้างความร้อนน้อยลง ซึ่งสำคัญสำหรับกระแสไฟสูง 700mA ขึ้นไป ที่ชาร์จแบบสวิตชิ่งมักจะมาพร้อมกับฟังก์ชั่นบูสต์หรือติดตามซึ่งเพิ่มแรงดันแบตเตอรี่และให้แรงดันไฟเข้าสำหรับการชาร์จหูฟังเอียร์บัด ที่ชาร์จแบบลิเนียร์เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับกล่องแบตเตอรี่กระแสไฟต่ำ เนื่องจากมีต้นทุนต่ำและไอคิวต่ำ
เครื่องช่วยฟังแบบชาร์จไฟได้นำเสนอความท้าทายในการออกแบบที่คล้ายคลึงกัน โดยปกติแล้วจะมีขนาดเล็กกว่าเอียร์บัดเพื่อให้มองไม่เห็น ดังนั้นจึงต้องมีการรวมพลังในพื้นที่ที่เล็กกว่า พวกเขายังต้องการรางพลังงานเสียงรบกวนต่ำ ซึ่งรวมถึงโทโพโลยีแบบสลับตัวเก็บประจุ เพื่อความชัดเจนของเสียงที่เหนือกว่า