TWS蓝牙耳机介绍及TI低功耗方案

作者:Wiky Liao

TWS(True Wireless Stereo, 真无线立体声)蓝牙耳机是近年来异常火热的音频产品。它借助蓝牙芯片,先将手机与主耳机建立无线连接,再建立起主耳机和副耳机的无线通讯,从而完全摒弃了传统耳机间的线材连接,极大地方便了用户的使用。另外,主耳机是可以单独使用的,完全能够胜任现有市场上的单颗蓝牙耳机的应用需求,使用功能非常强大。因此自从2016年9月苹果发布第一款TWS耳机——Airpods以来,市场反响就非常热烈,后续音频厂商见此迅速跟进,扎堆布局TWS蓝牙耳机,使TWS耳机市场异彩纷呈。接下來Bluetooth 5 将带来更精彩的使用者体验,新的充电盒设计会让消费者更为方便。

轻巧且便于携带是TWS耳机最为重要的设计目标,受限于充电盒和耳机的狭小空间,这两部分所用的电池容量都无法做大,充电盒的容量一般在1000mAh以内(其中又以200-700mAh范围内最为常见),而耳机端的容量更小,绝大部分都小于100mAh。因此无论是充电盒还是耳机,都应该重视系统低功耗的设计,保证产品有较长的使用时间。

1、充电盒系统介绍
详细的充电盒系统框图如下:

 图1 TWS充电盒系统框图

信号链部分,传感器主要有霍尔传感器,实现盒子的开合检测。LED灯实现酷炫的显示效果,蓝牙芯片则可以将盒子信息传送给手机,便于手机查看盒子电量信息。按键检测可能需要一些逻辑器件,如SN74LVC1G74这种D触发器,可以将按键的脉冲沿转变成电平的翻转,便于MCU记录按键信息。

电源轨部分,一般输入口做成5V的micro USB接口(苹果的Airpods是lightning接口,也是5V)。考虑到当前有不少支持高压快充的适配器,因此充电盒需要一个过压保护芯片做误插防护,再加一颗charger给锂电池充电。目前很多的charger都集成了过压保护的功能,但是过压响应时间大部分是us级别,建议额外再加一颗过压保护芯片做快速保护。Charger方面,建议用带power-path(即路径管理)的charger,一方面,当盒子电池电量较低时,插上适配器可以立刻得到较高的系统电压,保证盒子可以立刻给低电量耳机供电;另一方面,当快充电流设置的较小时,若负载需要恒定吃载(如驱动LED灯),这部分的负载很可能在charger的截止电流附近,不带power-path功能的话charger很可能无法判断电池已经充满,使用体验就会差一些。

电池一般都是单节锂电池,一般是由电池包厂商提供,并且已经将电量计和二次保护IC封包在内,保证电池更可靠的工作。单节锂电池的电源主要供给两部分:一部分升压到5V给耳机供电,另一部分降压到3V及以下给盒子内的MCU/Sensor等。

TI的产品非常丰富,能够覆盖充电盒绝大部分的需求,这里简要推荐如下几款IC,用在充电盒里再合适不过。推荐的指标主要是封装和功耗,功耗主要是IC在enable下的静态电流。需要提一下的是,由于过压保护和charger是在充电的时候才工作,此时adapter外挂,电源充足,因此这两部分不要求Iq小,但应该重视charger的漏电电流。

表1 TI充电盒方案汇总

2、耳机系统介绍

TWS一般有两个耳机,他们的系统都是一样的,详细框图如下:

 图2 耳机系统框图

信号链部分,蓝牙芯片负责接收手机发送过来的数据,然后经过耳放推动耳机。传感器主要是重力传感器,检测耳机晃动等信号。目前蓝牙芯片的集成度非常高,还能做一些调音的功能。

电源轨部分,受限于非常狭小的耳机空间,耳机端已经不能做成micro USB接口的供电口,通常改成特定的金属接触片方式。耳机输入电源来自于充电盒升压稳定后的5V,因此耳机端的输入不存在过压的风险,可以不必加过压保护,直接经过charger后就可以给单节锂电池充电。同样的,电池同样由电池包厂商提供,集成电量计和二次保护。电池经过LDO再给系统提供2.5V或者1.8V的电源。

与充电盒的设计相比,耳机端的空间更小,对芯片的封装和功耗提出了更严格的要求。针对这种情况,TI在耳机端的方案汇总如下:

表2 TI耳机方案汇总

3、TI参考设计

TI有一份针对TWS耳机的参考设计TIDA-050007,下图是参考设计的系统框图。这个参考设计整机功耗只有18uA,并且采用简易算法实现升压的动态调节,在充电盒电池电压高于耳机电池电压时升压芯片TPS61099还可以进入直通模式,使充电效率进一步提高。详细的参考设计资料见链接:http://www.ti.com/tool/TIDA-050007

 图3 TIDA-050007参考设计系统框图

针对耳机应用,TI网站还有非常丰富的耳机设计方案可供参考,包括产品框图、参考设计、热门产品等等,更多耳机资料详见链接:

http://www.ti.com.cn/solution/cn/wireless_headset?variantid=31741&subsystemid=31755

图4 TI线上资源无线耳机系统框图

综上所述,TWS耳机的设计需要综合考虑功耗、封装和性能,使产品具有更好的体验结果。借助于TI丰富的资源,可以帮助你轻松实现产品的设计。

  • 没想到还有蓝牙耳机的应用方案。多谢分享。

  • 现在的蓝牙耳机大多采用耳机盒充电方式,此种方式大大节约了耳机的体积,但是此种耳机一直困扰的就是低功耗,虽然耳机盒可以随时给耳机充电,但是耳机的功耗过高导致的充电次数频繁依旧是一个很头疼的事。不只是耳机,所有的便携式设备的低功耗都是让人头疼法人问题。因为本人最近在做计步器的低功耗,采用的就是TI的cc1101芯片,但是功耗一直降不到官方的数据,确实挺难受的。但是无论怎么说,技术的发展和芯片低功耗的日趋完善,我相信蓝牙耳机会有很大的市场。在之前自己也拥有一款蓝牙耳机,TI活动做得,但是一个月就出了问题,主耳机连接到手机后副耳机无法连接到主耳机,导致现在只能用单颗。不知道这问题有没有存在其他品牌的耳机上。

  • 018年,TWS蓝牙耳机市场发生诸多改变,一是智能语音让耳机具备了近场交互能力,二是智能翻译进一步拓展了耳机应用场景,另外还有运动检测、智能降噪、声纹ID等功能也陆续出现。因此除了提升音质、减少延迟等基础功能的改进,我们还可以大胆预测,未来TWS耳机将主要围绕以下几个方面展开竞争:

    智能语音百花齐放

    以手机厂商华为、OPPO、小米等品牌为代表,各家的智能语音助手已经日渐完善,再加上高通、络达、恒玄等芯片厂商的持续发力,以及楼氏超低功耗硅麦取得重大技术突破,本地唤醒功能越来越出色,结合自家智能手机,完善自己的生态体验将成为主流趋势。

    AI翻译功能将进一步完善

    目前智能翻译功能很大程度上还在依赖手机端进行数据处理,未来在数据传输、翻译准确性等方面还会进一步完善。

    运动检测将成为标配

    随着传感器技术的精准度提升、功耗下降、体积缩小,TWS耳机成为继智能手环之后,有一款非常适合健身佩戴的产品,检测运动状态,判断生理健康等功能也将陆续出现在TWS耳机身上。

    智能降噪将日趋成熟

    目前TWS蓝牙耳机普遍存在通话降噪效果差、不支持智能降噪等功能痛点,随着整体功耗的降低,将降噪芯片放进TWS蓝牙耳机的条件已经逐渐成熟,因此降噪将成为TWS蓝牙耳机的下一个发展方向。

    声纹ID大有潜力可挖

    2018下半年,华为FreeBuds 2 Pro的推出让大家真正看到了声纹ID的好用之处,可以让人们更加快速方便的完成支付等功能,同时基于声纹识别的特性,或许在TWS耳机上还可以做的更多。

  • 现在耳机市场的主动式降噪就是ANC、ENC、CVC、DSP等降噪技术。

    1、ANC降噪

    ANC降噪(Active Noise Control,主动降噪)的工作原理是麦克风收集外部的环境噪音,然后系统变换为一个反相的声波加到喇叭端,最终人耳听到的声音是:环境噪音+反相的环境噪音,两种噪音叠加从而实现感官上的噪音降低,受益人是自己。

    2、ENC降噪

    ENC(Environmental Noise Cancellation,环境降噪技术),能有效抑制90%的反向环境噪声,由此降低环境噪声最高可达35dB以上,让游戏玩家可以更加自由的语音沟通。通过双麦克风阵列,精准计算通话者说话的方位,在保护主方向目标语音的同时,去除环境中的各种干扰噪声。当前采用 ENC方案的主要是 Airpods 和 Google 的 pixel buds,他们都采用了意法半导体的方案。ENC 方案需要比较大的算法开发工作,也会提升全系统的功耗,因此目前尚未在安卓品 牌 TWS 耳机中普及。

    3、

    DSP降噪

    DSP是英文(digital signal processing)的简写。主要是针对高、低频噪声。工作原理是麦克风收集外部环境噪音,然后系统复制一个与外界环境噪音相等的反向声波,将噪音抵消,从而达到更好的降噪效果。DSP降噪的原理和ANC降噪相似。但DSP降噪正反向噪音直接在系统内部相互中和抵消。

    4、CVC降噪

    CVC(Clear Voice Capture)是通话软件降噪技术。主要针对通话过程中产生的回声。通过全双工麦克风消噪软件,提供通话的回声和环境噪音消除功能,是目前蓝牙通话耳机中最先进的降噪技术。

  • 去年也有关注TWS耳机,现在的TWS耳机还存在一些问题,比如电池续航、复杂环境降噪、传输距离等。

    在ti的’TWS蓝牙耳机方案中,了解到了低功耗、降噪等特色和优势,是一个很好的方案

  • 这篇文章说的还是挺有价值的,低功耗一直是一些智能终端比较在意的问题,特别是TWS耳机,它的功能挺强大,又要保证低功耗。TI的430MCU低功耗一向做的很好,但是根据我的体验,耳机的充电次数还是挺频繁的,这样导致充电盒的充电次数也会增加。看了文章里的电路设计,也是给低功耗设计提供了一个方向,这也是值得我们学习的地方。不过,未来我觉得用户更多的希望就是耳机工作时间加长,最好能够摆脱充电盒。

  • 低功耗和小封装一直都是可穿戴设备领域大家比较头疼的问题,待机时间十分的影响客户的产品体验,充电时间也对使用效果有很大的影响。蓝牙耳机作为近几年比较火爆的产品,蓝牙芯片无论是在封装、数据传输稳定性和功耗方面的发展,都对蓝牙耳机的产品体验或者说是性能上发挥着不可磨灭的作用。从文章中可以看到TI的IC在enable下的静态电流都是ua级别的,参考设计整机功耗只有18uA,这是很可观的数据,并且这种集成的IC,给了用户PCB设计时很多可选择的空间。这种集成保护功能,又避免了设计工程师做很多冗杂的保护电路,这种高性价比同样为设计工程师在方案选择上有了更多的余地。像TI的参考设计电路,同样也能够为方案的选择提供更多的可靠性,节省设计时间和提高稳定性。

  • 之前是不知道什么是TWS的,然而每天在地铁上看到好多人戴Apple的无线耳机,只知道是蓝牙做的,很高级的样子。TWS的电池容量是瓶颈(不会高于100mAh),后来发现有电池仓这种东西,解决了续航问题(感觉还可以考虑耳机无线充电)。TWS的功耗应该相当低,否则用户体验会很差,看了TI的三篇文档对TWS有了深入的了解。

  • TWS蓝牙耳机第一上市开始就一直被广大用户青睐,多家平台都开始提供自助特色的产品,相比而言的低功耗和抗干扰算是市场上卖家的热点。本技术文献介绍的还挺详细从充电装置的充电方式、电源管理,特别是对power-path功能应用很简明扼要。耳机的内部介绍也很纤细,了解TI推荐的成熟设计方案,在今后学习上有很多参考意义。

    随着技术的不断创新,接下来TWS耳机的发展方向将会是不断走向智能化、多能化、健康化、同时音频将更加高清降噪,响应速度更快,待机也会更长,TWS耳机将会成为人们不可缺少的智能穿戴设备之一。

  • 现在产品越来越小型化,这样就导致电池要做得小,但是就会造成续航时间很短。一直很看好TI的低功耗产品,也一直有在产品中使用,

    包括MCU,蓝牙芯片和充放电管理。作为一个无线充电芯片原厂工作人员,进行了很多TWS耳机RX芯片的设计,

    也遇到了很多问题,从中也学习到了不少东西。在电源管理这方面,TI的充放电芯片及电池保护芯片在性能方面有着显著的优势。

    在高端的产品中,希望用上TI的BQ27Z561和BQ24073配合MSP432加上CC2640进行相关TWS设计,亲身体验下TI在低功耗及电池充放电管理方面带来的优势。

  • 在市场上厮杀很久,究竟哪家能撑到最后难说,最要命的是电池,如果能够解决了电池,也许就不用隔多少时间就充电了,不知哪有有没有通过拾取人的生物电来给耳机供电的,如果有的话,那真是一款爆品啊。

  • TWS耳机由于去掉了连接线,两个耳机通过蓝牙组成立体声系统,这使得其在技术上面临也很大的挑战。其中最为关键的问题来自于蓝牙传输方案不够成熟,尚且存在一些问题有待优化,包括信号传输稳定性,容易受到外界信号干扰;主副耳机信号不同步;音质在传输中受损严重等问题。

    TI针对TWS耳机的参考设计TIDA-050007,这个参考设计整机功耗只有18uA,并且采用简易算法实现升压的动态调节。TWS耳机的设计综合考虑功耗、封装和性能,使产品具有更好的体验结果。

  • 很欣慰在文章中看到了充电部分power-path(路径管理)的说明。一个好的产品不仅只是向用户交付完善的功能,而是在实现功能的前提下向用户交付产品的体验价值。一个牛逼的硬件工程师往往拥有产品经理的思维,能够站在用户的角度去思考设计,而一般的工程师更多地是关注要实现的功能,我自己也在朝着牛逼工程师的目标而努力。TI在产品设计和服务这方面无疑做的很好。

    再谈谈个人关于TWS蓝牙耳机的观点:

    正如文章所言,自从苹果发布Airpods后,国内的手机厂商,3C数码产品周边配件厂商都在争先恐后的推出自己的产品,希望能够在该市场分一杯羹,毕竟无论是苹果的AirPods还是国内几大有名手机厂商的相关产品,从售价来看耳机的溢价率很高,这也意味着产品利润很可观。所以站在用户的角度来思考,我花了一千至二千多大洋买幅耳机,如果不能获得很好的产品功能、质感、及使用体验的话,那它真的就仅仅是一副无线蓝牙耳机罢了,买它何用?在无线技术领域这块我不熟,没有话语权,能想到的也就下面几点,若有表述不当的地方欢迎批评指出:

    1、安全性

    在当今这个大数据时代,数据安全性应该是排在第一位的考虑因素,如何保证语音传输过程中数据不被非法分子获取破解?个人觉得这应该是未来无线设备都要考虑的问题。在这方面我不是专家,没有发言权,但是我能想到的解决方式比如:硬件上采用硬件加密、无线跳频等技术传输数据,软件上那就是数据解压缩,数据加密的内容了。

    2、稳定性

    怎样在音频越来越高的采样率和数据位数的要求下保证音频数据传输的稳定性和传输距离,这涉及到芯片设计、硬件电路设计、数据压缩等技术。

    3、音质

    包括听音乐和语音通话这个应用场景的音质,这包括语音数据的采样率和位数、耳放电路设计、优质的动圈单元、以及降噪技术等。主动降噪技术在千元档的TWS耳机上肯定是标配,今天特意去看了下华为的FreeBuds,除了常规的主动降噪技术外还加入了骨声纹传感器实现通话降噪,在千元档上能具有这样的技术确实不错(真心话,不是给华为打广告哈)。

    4、时延

    TWS耳机去掉了声源到耳机,以及耳机之间的音频硬连接线,而采用无线BLE技术。声音从声源传到耳机这个物理空间上或多或少会导致音频延迟,特别是在无损等高品质音乐播放要求下,传输的音频数据量更大,怎样让用户获得声画同步的完美体验,这必然是一个不得不面对且需要解决的问题。

    5、交互

    人机交互永远是评定产品使用体验是否完美的一个主要因素。对于TWS耳机而言,能够从语音、触摸、以及体感方面来下手。语音就是利用厂商的APP语音识别引擎来识别用户的语音指令并执行。触摸的话就是通过特定的手触和轻敲耳机骨架动作来识别用户的指令并执行。体感的话可以利用陀螺仪等传感器来识别用户的指令并执行,比如点头代表确定或接打语音电话、仰头代表取消或挂断电话,右偏头一下代表下一曲,左偏头一下代表上一曲等等。

    6、续航

    最后是续航问题,如何在有限的耳机空间内塞下TWS耳机必要的电池包、硬件电路板、及动圈的同时,还能提高耳机的续航时间,这需要硬件工程师的电路设计能力以及低功耗器件的选择,TI的低功耗MCU、BLE、电源管理、运放器件等无疑都能提供最佳的方案。

  • TWS是未来的发展方向,当然在实际设计中也面临诸多的挑战,比如电池的性能,如果保证大容量的电池容量,同时又要低功耗的设计,当然蓝牙5是一个不错的选择,而TI的低功耗解决方案可以很好的应对这一问题,同时消费市场对成本也极为敏感,总体上的控制能力和综合设计能力也相当考验产品经理。

  • 现在的蓝牙耳机大多采用耳机盒充电方式,此种方式大大节约了耳机的体积。但是核心仍然没有改变:提升音质,减少延迟以及降噪。如果在此基础上成功解决了功耗问题,那么个人大胆认为后期智能语音方面可能从如下几个方面发生突破:

    语音翻译

    任意两个耳机可以实现互联互通,主要实现不同语言之间的互译,并将成本压缩至最低。

    环境监控

    通过语音识别检测,将处理后的数据通过蓝牙发送到最近的控制器,实现环境监控功能。可识别不同人以及环境的声音。

    运动检测

    TWS耳机可能成为继智能手环之后,包含运动检测、身体健康检测等功能的产品,并超越智能手环。

    智能降噪将日趋成熟