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。