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近年来,真无线蓝牙耳机 (Ture Wireless Stereo, TWS ) 。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。此外,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。
想了解更多关于TWS 蓝牙耳机设计的核心要领?TI 中国工程师们结合实战经验,为你精心整理,干货满满!
  • 总结篇
  • 霍尔传感器方案篇DRV5032

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沙发
xyz549040622|  楼主 | 2019-11-29 15:55 | 只看该作者
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:
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。

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板凳
xyz549040622|  楼主 | 2019-11-29 15:58 | 只看该作者
BQ25618/9是TI为TWS耳机充电仓专门开发的一款三合一(保护,充电及升压)的IIC控制开关充电芯片。
其中BQ25618BQ25619在规格上一致,区别在于BQ25618采用的是小型化的DSBGA封装,0.4mm的管脚间距,对生产工艺有较高的要求,而BQ25619采用的稍大一点的WQFN封装 方便方便线路布板,器件的封装尺寸见下图一。
                                            
   我们从下面四个角度角度来了解这颗芯片:
                                      
                                                                                                图二                                                  

1: 降压充电功能:
a)      输入工作电压范围支持4-13.5V,瞬间浪涌电压可以支持到22V,可以很方便的支持5V,9V,12V工作系统。
b)     输入过压通过VAC脚检测,默认值OVP值为14.2V,通过IIC可以有四挡OVP值调节5.7 V/6.4 V/11 V/14.2,可以根据实际需求灵活调整。
c)      IIC编程设置输入过流保护点,范围可以从100mA到3.2A,最小步进电流是100mA。
d)     动态功率管理(DPM-Dynamic Power Management ),当输入电流超过输入过流保护点,而使得输入电压逐渐降低,当达到设定的电压跌落值时默认值为4.5V(3.9V-5.4V,可使用IIC设定,最小步进100mV),系统开始减少充电电流,从而保证输入电压维持在设定值。DPM功能可以很好的防止由于输入适配器带负载能力不够而造成的整个系统的瘫痪。
e)      具有自动输入检测功能,当检测到输入适配器插入,系统会自动关闭内置的升压电路。
2: 升压放点功能:
a)      当适配器插入,任然可以用PMID给耳机充电,此时电压为输入电压,升压停止工作。PMID_GOOD设计用来做输入过压过流保护的。
b)     PMID 脚是升压输出脚,输出电流最大为1A,输出电压支持4档(4.6V/4.75V/5V/5.15V)IIC可调,方便根据实际的需求降低输出电压,减小损耗。当只有电池的情况下,内置升压才开始工作,通过PMID输出相应的设定电压。
c)      PMID_GOOD脚是PMID电压的检测脚,当PMID 电压升到3.8V的时候,PMID_GOOD电平从低转为高,表示升压系统正常工作。如果发生过压(超过5.8V),电池侧过流(超过6A)的情况,PMID_GOOD会从高电平转为低电平,根据PMID_GOOD指示可以很容易驱动外置的PMOS做过压、过流时升压系统的切断,从而给系统叠加双重保护。外置保护电路可以参考如图三所示
                                                   
                                                                          图三
3:输出介绍
a)      充电电流最大1.5A, 同时具有20mA步进(20mA-1.5A 可编程)的充电截止电流,10mV的步进充电电压,可以使充电仓的电池充的更满。
b)     为了补偿截止电流的精度,让电池能够充的更满一些,BQ25618/9增加了TOP-OFF Timer功能,如下图四红色框所示,在系统侦测到充电截止后,还可以选择性的通过IIC增加充电时间(0,15min,30min,45min)。
c)      QON脚支持运输模式,在运输模式下,漏电流可以低至7uA。
d)     优化过的路径管理功能可以在即使电池过放或者电池断开的情况下,给系统供电。
e)      室温下的静态电流典型值为9.5uA,相较于开关充电芯片的漏电流下降70%以上。可以大大增加电池供电情况下的待机时间
f)       具有系统过压保护,电池过压、过流保护,电池过放保护,除了TS脚的过温保护外,还有芯片内部过温保护(150C关断)等完善的保护机制。
                          
                                                                      图四
4:PCB 布线介绍
     BQ25619优化管脚的位置,输入到输出更加简洁。以下为BQ25619的PCB layout走线指导:
a)      输入电容应尽可能靠近PMID引脚和GND引脚,并使用最短的走线连接。添加1nF小尺寸(例如0402或0201)的去耦电容,去除高 频率噪声和改善EMI。
b)     电感输入引脚应尽可能靠近SW引脚放置。最小化走线的铜面积以降低电场和磁场辐射,
注意走线要满足最大电流(见图五中黄色箭头所示的功率回路)。SW走线不要用多层连接,防止寄生电容造成开关瞬间的尖峰电压过高。
c)      将输出电容器靠近电感和芯片,接地需要与IC的地用最短的走线相连。
d)     将小信号地与功率地分开布线,单点接地,或使用0电阻将小信号地连接到功率地。
e)      去耦电容必须用最短的线摆放在IC管脚附近。
f)       将IC背面的裸露散热焊盘焊接到PCB上,确保在IC的正下方有足够的散热孔,并连接至接地层,以帮助散热。
                                                               图五
以下是BQ25619的参考资料:

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地板
xyz549040622|  楼主 | 2019-11-29 16:00 | 只看该作者
TWS(True Wireless Stereo, 真无线蓝牙耳机)需要检测充电仓盖的开合,以及耳机是否在位,在这一检测功能中,霍尔器件因为反应灵敏,体积小,功耗低,受到越来越多的客户的青睐。在本文中,我们将会介绍市场常见的开关监测方案,以及TI 霍尔传感器技术在TWS 耳机中的应用。
一、常规开关检测方案
1、机械弹针检测
机械弹针结构简单,对精度要求高,但是使用寿命短,易受粉尘、水汽、振动等因素影响,触点容易锈化,极易产生金属疲劳损坏。
2、磁簧开关检测
磁簧检测是通过磁铁感应密封在玻璃管内含有贵金属材料的触点。因此,该开关不受湿气或其他环境因素的影响,触点不会氧化,缺点是体积大、安装难、易损坏。
3、红外光电开关检测
红外光电开关把光发射器和接收器面对面地装在一个槽的两侧。发光器发出红外光,在开盖时接收器能收到光,合盖时槽中光线被遮挡,光电开关便动作。该方案优点是检测速度快,但功耗大,也怕灰尘水水汽等因素。
4、霍尔开关检测
通过霍尔效应对磁场变化进行检测,相对于**、机械式一类的开关,其数字输出干净平稳,不会出现抖动,没有冲击等情况的产生,寿命高、耐振动;相对于红外光检测,这种检测方式不怕油污、水汽和盐雾污染或腐蚀、不怕灰尘、功耗低、体积小、重量轻、安装方便。越来越多的TWS耳机开始选择开关型霍尔器件,耳机插入检测也逐渐从机械弹针方案转换为霍尔检测。
二、霍尔效应以及霍尔传感器技术的原理
霍尔效应是通电固体导体(或半导体)内部载流子在磁场受洛仑兹力形成偏移,继而产生感应电压差,最终洛仑兹力与电场力平衡的过程。霍尔效应常用于磁场测量、电信号测量等方向。
常用的霍尔器件按输出信号类型分为线性霍尔器件,开关霍尔器件和锁存霍尔器件。线性霍尔器件输出为模拟信号,输出电压与外部磁场的强弱通常成线性关系。数字霍尔器件输出为01的电平,其中根据感应磁极的特性不同数字霍尔器件可以分为单极型,双极型以及锁存型三种。工作过程如图1和2所示,通过检测外部磁场的强弱控制输出导通或关断,类似开关的作用。当磁通量密度增大到一定值时,霍尔开关开始动作输出低电平,该点对应的磁通量密度称为工作点BOP,由于磁滞作用的影响,如果关掉中的和霍尔开关需要使磁通量密度低于某点,霍尔开关关断,此时磁通量密度的数值称为释放点BRP。
图1.单极型数字霍尔IC输出特性

图2.双极型数字霍尔IC输出特性
数字霍尔器件的通常结构如图3所示由霍尔效应片、电压调节器、休眠唤醒控制电路、信号放大滤波电路、偏移补偿电路、施密特触发器,开漏极输出(或推挽输出)。
图3. 数字霍尔IC内部结构
三、TI霍尔传感器技术在TWS耳机里的应用

在TWS蓝牙耳机充电仓之中,往往放置了多块磁铁用以吸附耳机与仓盖,每一块磁铁的极性朝向都会影响到霍尔IC感应点的磁场感应强度。若选用全极型霍尔IC,充电仓内部磁场即使在仓盖打开后仍会保持一个较高的值,不能达到霍尔IC的释放点。因此仓盖中应使用与原仓内磁场相反的磁极,并选用只对该极性动作的单极型霍尔IC,避开其他磁极的干扰。此外,开关型霍尔IC内部为逻辑控制电路,如图4所示在输入端放置滤波电容能够提供一个干净供电环境保证内部逻辑能够正常的工作,电容靠芯片越近,滤波效果越好,一般容量在0.1uF-10uF 。许多工程师计算开关霍尔IC与磁极的有效总气隙时常常会遇到困难,TI提供了一个在线计算工具Hall Effect Switch Magnetic Field Calculator,并给出了TI霍尔开关产品在不同规格磁铁下的感应距离,为大家的设计提供参考与便利。
图4.典型应用电路
图5. 有效总气隙计算工具
TI推出的超低功耗DRV5032霍尔效应开关,在TWS耳机里根据客户不同的需求有表6中七个版本可供选择。该IC具有较宽的供电电压1.65-5.5 V,可由电池直接供电。其中采样频率为5 Hz的版本在1.8V的供电条件下电流消耗低至0.54 µA,20 Hz版本在3V的供电条件下电流消耗低至1.6 µA。两种不同的封装规格SOT-23(2.9*1.3)与X2SON(1.1*1.4),适用不同的仓内结构。此外,单极型版本的IC推挽输出节省上拉电阻空间,有两档磁感应灵敏度能够提供准确而稳定的磁开关点。工作的温度范围支持-40 至 +85°C。
表6.DRV5032霍尔开关版本


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htmlme| | 2020-1-7 22:04 | 只看该作者
TWS双耳无线蓝牙耳机到底是什么样的  

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yujielun| | 2020-1-7 22:04 | 只看该作者
tws蓝牙耳机怎样进入双 模式

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typeof| | 2020-1-7 22:04 | 只看该作者
tws耳机与蓝牙耳机有什么区别?  

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usysm| | 2020-1-7 22:05 | 只看该作者
TWS5.0蓝牙耳机方案原相的怎么样?  

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usysm| | 2020-1-7 22:05 | 只看该作者
tws这款蓝牙耳机怎么组成双声道?  

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cehuafan| | 2020-1-7 22:05 | 只看该作者
通过蓝牙组成立体声系统?      

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uptown| | 2020-1-7 22:06 | 只看该作者
tws蓝牙耳机有蓝牙5.0的吗  

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xiaoyaozt| | 2020-1-7 22:06 | 只看该作者
现在哪颗做TWS效果最好  

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lihuami| | 2020-1-7 22:06 | 只看该作者
怎么连接蓝牙?   

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jimmhu| | 2020-1-7 22:07 | 只看该作者
比较好用的蓝牙耳机就是TWS真无线蓝牙耳机

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10299823| | 2020-1-7 22:07 | 只看该作者
剩余电量可以看到吗?  

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usysm| | 2020-1-7 22:07 | 只看该作者
蓝牙距离和稳定性怎么样?   

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cehuafan| | 2020-1-7 22:08 | 只看该作者
蓝牙耳机的大概制作工艺是怎样?我  

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typeof| | 2020-1-7 22:08 | 只看该作者
求推荐靠谱TWS蓝牙耳机方案?  

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uptown| | 2020-1-7 22:08 | 只看该作者
有什么可靠的方案推荐吗?

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yujielun| | 2020-1-7 22:08 | 只看该作者
哪个比较强?         

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