【TI 中国工程师原创】TWS蓝牙耳机介绍及TI低功耗方案

作者:TI 工程师 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

Part number

功能

功耗

封装

特点

MSP430FR21xx

MCU

1uA(standby)

3x3mm

超低功耗,性价比高

CC2640R2F

Bluetooth

1.1uA(standby)

2.7x2.7mm

超低功耗

MSP430FR2512

Touch Sensor +MCU

4uA

4.5x3.5mm

超低功耗,抗噪出色

DRV5032

Hall Sensor

1uA

1.1x1.4mm

低功耗,小封装,4档阀值,单极/全极可选

LP5569

LED Driver

10uA

4x4mm

9通道,带charge pump和SRAM,支持离线灯效

LP50xx

LED Driver

10uA

4x4mm

9/12/18/24/30/36通道可选,高性价比

TPD1E04U04

ESD

10nA(leakage)

0.6x0.3mm

0402/0201封装, ±16kV接触/气隙等级,USB专用

BQ24314C

OVP

-

2x2mm

过压保护点5.85V,支持最高30V输入,封装小

TPD1S414

OVP

-

1.4x1.9mm

最高30V输入,带ESD保护

BQ21040

Charger

1uA(leakage)

2x2mm

集成28V耐压OVP,0.8A充电,不带Power-path

BQ24073

Charger

6.5uA(leakage)

3x3mm

集成28V耐压OVP,1.5A充电,带Power-path

BQ25120A

PMU

<50nA

(ship mode)

2.5x2.5mm

高集成度(charger/buck/LDO/load switch/电压监测)

BQ2970

Protector

4uA

1.5x1.5mm

过压/欠压/延时时间等一系列可选,产品齐全

BQ27Z561

Gauge

<1.9uA

(OFF mode)

1.7x2.1mm

阻抗跟踪算法,I2C读取电量

TPS61099

Boost

0.8uA

2x2mm

超低功耗,效率非常高,0.8A

TPS7A05

LDO

1uA

1x1mm

低功耗,高性价比

 

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

Part number

功能

功耗

封装

特点

TPA6141A2

耳放

1uA(shutdown)

1.6x1.6mm

G类耳放,105dB SNR,支持直接驱动耳机

TPA6136A2

耳放

0.7uA(shutdown)

1.6x1.6mm

AB类耳放,100dB SNR,带pop声抑制

BQ25100

Charger

75nA(leakage)

1.6x0.9mm

小封装,超低功耗,支持1mA截止电流

BQ25150

PMU

<10nA(ship mode)

2x1.6mm

高集成度(charger/LDO/16-bit ADC),温度安全控制

TPS7A05

LDO

1uA

1x1mm

低功耗,高性价比

 

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。

1 个回复

  • 我有用过TWS耳机 (山寨的)说说实际体验 1 续航短 只能用1-2小时。2 噪声大 ,3 音质不好 ,通信断断续续,语音延时严重4 佩戴不舒服 5,耳朵疼。5 易丢 ,丢得不知不觉。价格高。心痛。。

    我眼中的TWS耳机是 1 续航长,充一次电可以使用10小时以上 2 支持无线充电 3 抗噪声性能强 能实际滤除周围存在的噪声 4 佩戴舒服,戴了就不想摘下。5 保护耳朵 6 能防丢和定位。7能支持多用户使用,对每个用户能切换不同的音效。7 价格还能便宜。。8 体积小,能方便携带。9 通信距离长。10 能防水。 掉入水里可以自动关机,11 能快充+无线充电 12 能支持人机互动,比如手势或者虹膜感应。

    我觉得 TWS无线蓝牙未来的发展趋势我认为性能会越来越高,同时价格越来越低,音质好 通信距离长(毫米波通信),能连上互联网。方便手机用户数据并加以改进。同时支持多物互连,支持AI智能语音,能方便地控制智能家居。

    ti针对TWS蓝牙耳机有完整的低功耗方案,蓝牙CC2640R2F+耳放TPA6136A2+电源管理BQ25120A+触摸感应MSP430FR2512,芯片体积小,其中整个方案参考设计整机只有18uA功耗,普通的1000ma锂电池可以用很长时间,续航时间更长。TI的TPS61099X系列升压变换器不仅具有1uA超低静态功耗,极大地提高了TWS真无线蓝牙耳机的充电盒电池的使用寿命;而且还有Pass-Through等功能,简化整体电路,节省成本。

    现有TWS耳机还是有短板和缺点的:,TWS耳机的缺点也非常明显,由于体积小、内部电路规模有限,电池续航能力一般都是3-4个小时左右,在实际的降噪效果、语音识别率上,同代的TWS耳机是也不如传统蓝牙耳机和有线耳机,由于它是无线连接且相互两个耳机并没有线材相连,运动的幅度不能过大。无线连接还有一个弊端就是防小偷的能力不强,一旦手机被偷,发现的概率会比较低。


    TWS未来可能遇到哪些挑战会有体积上的制约,如何集成功能多+功耗更低+通信距离长+高音质+美观实用的产品,又能让广大消费者买单,是一个大的挑战。