發布日期：2022-04-17 點擊率：95
編者按：健身耳穿戴設備盡管有巨大的潛力，但需要解決三個關鍵方面的重大設計挑戰：生物測量、音頻處理和無線充電。本系列包括三篇文章，將逐一探討每項挑戰，并向開發人員展示如何利用超低功耗器件來更有效地打造健身耳穿戴設備。第 1 部分介紹了心率和 SpO2 的生物測量。第 2 部分介紹了音頻處理。本文是第 3 部分，探討適用于健身耳穿戴設備設計的電源管理和無線充電解決方案。
功耗優化已成為大多數應用領域的基本要求，但是健身耳穿戴設備在傳統“無線”耳機的要求之外又帶來了特有的問題。傳統耳機使用藍牙連接進行音頻流傳輸，但保留了與電池的有線連接。電池通常與音量控件和電源連接器一起封裝在直插式封裝中。相比之下，真無線設計消除了所有有線連接，要求產品設計人員將可充電電池內置于每個耳塞中。
因此，系統工程師必須找到能夠滿足緊密封裝要求的設計解決方案，同時對用戶來說要確保延長電池續航時間并簡化電池充電過程。
本文討論了如何有效地延長電池續航時間并簡化電池充電，同時為這些設計的底層生物傳感、音頻和處理器器件提供多個電源軌。接著會簡要說明無線充電的工作原理，之后將介紹基于標準的無線電源解決方案，使用這些解決方案開發人員可以快速打造復雜的真無線產品，并能夠充分利用快速發展的第三方兼容充電平臺。將介紹的解決方案來自 Maxim Integrated、Analog Devices、STMicroelectronics 和 Texas Instruments 等供應商。
如本系列的前兩篇文章所述，工程師可以利用超低功耗片上系統 (SoC) 生物傳感器、音頻和藍牙器件來最大程度地降低功耗并延長電池續航時間（圖 1）。
圖 1：對于真無線健身耳穿戴設備設計，高度集成的電源管理集成電路 (PMIC) 和電量計 IC 提供了電池和電源管理的基礎，僅需要無線電源即可為電池充電。（圖片來源：Digi-Key Electronics，基于 Maxim Integrated 的原始資料）
除了具有豐富的功能，這些 SoC 還集成了自身的電源管理功能，以多種方式使用低功耗工作模式、時鐘或電壓選通功能或內部穩壓器，從單個電源為不同的功率域供電。盡管這些功能有助于簡化電源優化設計的實現，但通常會帶來多個電源軌的要求，以適合每個器件。例如，本系列前面討論的 SoC（Maxim Integrated 的 MAXM86161 生物傳感器、MAX98090 音頻編解碼器；以及 ON Semiconductor 的 RSL10 藍牙微控制器）就提出了不同的供電要求（表 1）。
| 器件電源電壓范圍 (V)Maxim IntegratedMAXM86161 生物傳感器單電源 (VLED)3.0 至 5.5Maxim IntegratedMAX98090 音頻編解碼器數字供電電壓 (VDVDD)模擬供電電壓 (VAVDD、VHPVDD)數字 I/O 供電電壓 (VDVDDIO)揚聲器電壓1.08 至 1.98（典型值 1.2）1.65 至 2.0（典型值 1.8）1.65 至 3.6（典型值 1.8）2.8 至 5.5（典型值 3.7）ON SemiconductorRSL10 藍牙 MCU單電源 (VBAT)1.18 至 3.3（典型值 1.25） |
表 1：健身耳穿戴設備設計中主要 SoC 的電壓供應范圍。（表格來源：Digi-Key Electronics，基于 Maxim Integrated 和 ON Semiconductor 的原始資料）
相比一套單獨的穩壓器件，像 Maxim Integrated 的 MAX77654 這樣的多軌 PMIC 提供了一個更簡單的單芯片解決方案。MAX77654 專為耳穿戴設備等空間受限的低功耗應用設計，在 2.79 mm x 2.34 mm 的封裝中提供三個降壓升壓開關穩壓器輸出和兩個低壓差 (LDO) 穩壓器，具有 6 mA 的低工作電流和 0.3 μA 的關斷電流。開發人員能夠以 50 mV 的步階分別對 MAX77654 的三個降壓升壓穩壓器進行編程，以提供 0.8 至 5.5 V 的穩壓輸出。同樣，兩個 LDO 穩壓器輸出能夠以 25 mV 的步階進行編程，以提供 0.8 至 3.975 V 的輸出范圍。
該器件基于單電感器多輸出 (SIMO) 降壓升壓穩壓器，僅需添加幾個元器件即可提供完整的電源管理解決方案，從而有助于減小 BOM 和設計尺寸（圖 2）。
圖 2：Maxim Integrated 的 MAX77654 PMIC 可簡化開發過程，能夠通過兩個 LDO 和三個降壓升壓穩壓器提供多個可編程電壓軌，其中由于器件采用 SIMO 技術而只需要單個電感器。（圖片來源：Maxim Integrated）
在完整的系統中，MAX77654 的關斷控制器和電源定序器可根據應用所需的特定順序，管理內部電源狀態的轉換和定時，以啟動（或關閉）電源軌。例如，在健身耳穿戴設備設計中，開發人員可以對器件進行編程，以按順序接通各個 SoC 和子系統的電源，從而減少峰值電流需求或避免音頻失真。
除系統電源管理功能外，MAX77654 還集成了完整的鋰離子電池充電器，可從包括 USB 在內的各種電源提供 95 mA 至 475 mA 的可編程恒流充電速率。Maxim 的 Smart Power Selector 技術可根據需要自動將電源從輸入電源 (CHGIN) 切換到電池 (BATT) 和系統 (SYS)。充電完成后，Smart Power Selector 會自動斷開電池與輸入電源的連接。
MAX77654 提供了一組豐富的狀態寄存器，允許開發人員監測和控制器件運行的方方面面。通過設置中斷控制寄存器，開發人員可以對器件進行編程，以向主機處理器發出各種運行條件和故障警報，包括系統過壓和欠壓、溫度、充電錯誤以及電池故障警報。
不過，對于消費類產品，開發人員通常會結合使用 PMIC 與電池電量計 IC（例如 Maxim Integrated 的 MAX17260）。MAX17260 僅消耗 5.1 mA 電流，采用 Maxim 的 ModelGauge m5 電池續航時間預測算法，并可動態估算運行期間的電池剩余續航時間和充電期間的充電完成時間。開發人員可以對該器件進行編程，以在運行期間的剩余電量低于指定閾值時，生成主機處理器中斷。在健身耳穿戴設備中，開發人員可以使用該功能，并通過減少生物傳感器的心率更新次數或減少音頻帶寬等策略，溫和地實現應用功能降級，最終在電量低于可維持限值之前向用戶發出警報。
MAX77654 PMIC 和 MAX17260 電量計 IC 的組合提供了有效的電池管理解決方案。要打造真無線健身耳穿戴設備，剩下的一項重大挑戰是提供合適的充電源。根據定義，該充電源無法利用有線電源適配器或 USB 等傳統有線方法。對于這個問題，無線電源技術和相關硅解決方案的出現提供了現成的解決方案。
實際無線電源方法是利用初級線圈與次級線圈之間的緊密耦合感應或一對以相同共振頻率運行的線圈之間的松耦合共振感應（請參閱“感應與共振無線充電”）。
多年以來，感應無線電源已廣泛用于電子牙刷等消費類產品或助聽器等醫療產品的充電，目前已達到一定的成熟度和設備支持度，使其成為甚至最先進電子產品的安全選擇。因此，從原理上，開發人員僅需使用 Analog Devices 的 LTC4124 無線鋰離子充電器，將電能從感應耦合線圈接收到 Analog Devices 的 LTC6990 壓控振蕩器 (VCO) 驅動的發射器線圈，即可實現無線充電。除了 LTC4124 接收器和 LTC6990 VCO，完整的無線電源設計僅需一個 MOSFET、一些無源元器件和一對線圈，例如 Würth Elektronik 的 760308101216 7.2 μH 接收器 (RX) 線圈和 Würth Elektronik 的 760308103206 7.5 μH 發射器 (TX) 線圈（圖 3）。
圖 3：通過使用 Analog Devices 的 LTC4124 無線電源接收器和 LTC6990 壓控振蕩器，開發人員僅需添加幾個元器件即可實現完整的專用無線電源。（圖片來源：Analog Devices）
盡管較早的無線電源解決方案可以簡化設計，但已不再適合消費類產品，這是因為用戶迅速接受了基于無線充電聯盟 (WPC) Qi 規范的標準無線電源產品（請參閱“符合 Qi 標準的無線充電”）。如上所示，這種簡單的設計為專用無線產品及其關聯的充電座而打造，缺乏關鍵功能，例如接收器與發射器之間的通信、異物檢測 (FOD) 以及 WPC Qi 規范中提出的其他要求。
除了支持更復雜的無線充電過程，Qi 兼容無線電源的快速接受還推動了低成本無線電源發射器平臺的興起。因此，在開發健身耳穿戴設備這樣需要無線電源的消費類產品時，開發人員可以預期潛在用戶已經擁有（并傾向于使用）現成的無線充電板，從而將精力主要放在兼容無線電源接收器的設計上。
不過，利用通用的無線充電產品確實需要根本性轉變設計角度。粗略估計，有效的耦合和電能傳輸需要匹配良好的發射器線圈和接收器線圈，這些線圈具有相似的尺寸，并且次級線圈與初級線圈的電感比通常為個位數。因此，為了能夠滿足用戶對快速充電時間的預期，如果使用適合安裝在健身耳穿戴設備中的直徑非常小的線圈，則會使無線電源設計復雜化。此外，由于線圈間對準和定位對公差要求非常嚴格，因此需要產品設計采用定制耳塞盒或其他安裝固定件，以確保耳塞線圈始終緊靠充電線圈。
由于存在這些多重挑戰，真無線耳塞產品通常會采用更實用的方法，將 Qi 兼容的無線接收器內置于耳塞盒中。將耳塞放入耳塞盒中后，每個耳塞中內置的插針會與盒底座中內置的電源觸點接觸。然后，當將耳塞盒放在兼容的第三方無線充電板上時，電能會從充電板無線流動至耳塞盒接收器，再通過觸點流入耳塞。使用這種方法，實現健身耳穿戴設備的無線充電將簡單得多，并且有大量的 Qi 兼容無線電源接收器提供支持。
幸運的是，開發人員可以找到專門設計用來支持 WPC Qi 標準的各種無線電源接收器。實際上，可用設備遠遠超出了支持標準無線電力傳輸的最低要求，并提供了旨在簡化整體系統設計的功能。例如，與許多此類器件一樣，對于允許用戶通過外部電源適配器或 USB 連接為充電盒供電的設計，STMicroelectronics 的 STWLC03 無線電源接收器支持一種簡單的方法來禁用無線充電（圖 4）。
圖 4：與其他此類器件一樣，STMicroelectronics 的 STWLC03 無線電源接收器提供了一個簡單的選項，用于在檢測到外部電源時禁用無線電力傳輸。（圖片來源：STMicroelectronics）
許多兼容 Qi 的無線電源接收器還集成了電池充電功能，允許開發人員在無法或不方便使用無線充電情況下，將電池放入耳塞盒中作為備用電源。例如，Texas Instruments 的 BQ51050B 支持三步充電序列，包括預充電、快速恒流充電和快速恒壓充電，只需簡單地連接到電池組即可（圖 5）。
圖 5：Texas Instruments 的 BQ51050B 無線電源接收器只需極少的額外開發工作，即可支持電池組充電。（圖片來源：Texas Instruments）
除支持外部電源和電池充電外，兼容 Qi 的無線電源接收器還可以支持新興的點對點無線充電方案，依靠一種移動產品（如智能手機）對另一種產品進行無線充電。例如，Maxim Integrated 的 MAX77950 只需極少的額外開發工作，即可實現對使用現有無線電源與點對點充電的組合支持（圖 6）。
圖 6：除了支持更常規的無線充電配置，Maxim Integrated 的 MAX77950 無線電源接收器還支持點對點無線電力傳輸。（圖片來源：Maxim Integrated）
盡管無線電源功能和相關設備不斷發展，但開發人員仍可以找到現成的開發支持資源，包括開發板、設計指南和應用說明。例如，本文提到的每款無線電源裝置都有配套的開發套件。
Analog Devices 為 LTC4124 無線電源接收器提供了一系列套件，其中包括發射器板和接收器板，可展示在增加接收充電電流水平時的無線電力傳輸。Analog Devices 的 DC2769A-A-KIT 和 DC2769A-B-KIT 套件的充電電流分別為 10 mA 和 25 mA。發射器板主要基于先前所述的 LTC4124 設計（參見圖 3），并使用 Analog Devices 的 LTC6990 VCO，而接收器板則使用 Analog Devices 的 LTC4124 無線接收器。為展示更高的充電器電流，Analog Devices 的 DC2770A-A-KIT 和 DC2770A-B-KIT 分別提供 50 mA 和 100 mA 的充電電流，它們使用基于 LTC4124 的接收器板，但是每個套件的發射器板都改為采用 Analog Devices 的 LTC4125 無線電源發射器。
STMicroelectronics 為其器件提供了用于 STWLC03 無線電源接收器的 val-ISB036V1/497-17193-ND/6709953">STeval-ISB036V1 評估板；Texas Instruments 提供 BQ51050BEVM 評估板，以支持 BQ51050B 無線電源接收器的開發；而 Maxim Integrated 為其 MAX77950 無線電源接收器提供了 MAX77950EVKIT 評估套件。除了評估套件硬件外，每家制造商還提供了全套設計資源，通常包括 BOM、原理圖和物理設計布局指南，便于開發人員構建定制設計。
對于軟件開發，通常也有現成或應要求提供的驅動程序和評估軟件。例如，Maxim Integrated 的 cription.html/swpart=SFW0004390C" target="_blank">MAX77950 評估套件軟件包允許開發人員通過 USB 從 Windows? 10 計算機連接到 MAX77950EVKIT 來監測和修改 MAX77950 寄存器和配置，而集成的微控制器則通過共享的 I2C 總線來更新 MAX77950（圖 7）。
圖 7：Maxim Integrated 的 MAX77950 評估套件軟件包和相關文檔可引導開發人員進行不同的 MAX77950 器件設置，以探索不同器件配置對無線電源性能的影響。（圖片來源：Maxim Integrated）
真無線健身耳穿戴設備的設計給設計人員帶來了實現更高效系統的挑戰，同時也推動了高級無線充電技術的使用。如本文所述，高度集成的 PMIC 和電量計 IC 提供了高效的電源和電池管理解決方案。對于無線電源，基于標準的無線電源裝置的出現為開發人員提供了多種選擇，有助于在健身耳穿戴設備產品中實現無線充電功能。通過使用這些標準解決方案，開發人員可以快速打造復雜的真無線產品，從而能夠充分利用快速發展的第三方兼容無線充電平臺。
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