如何有效地延長電池續(xù)航時間并簡化電池充電

　　健身耳穿戴設(shè)備盡管有巨大的潛力，但需要解決三個關(guān)鍵方面的重大設(shè)計挑戰(zhàn)：生物測量、音頻處理和無線充電。

　　功耗優(yōu)化已成為大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的基本要求，但是健身耳穿戴設(shè)備在傳統(tǒng)“無線”耳機的要求之外又帶來了特有的問題。傳統(tǒng)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(shè)計消除了所有有線連接，要求產(chǎn)品設(shè)計人員將可充電電池內(nèi)置于每個耳塞中。

　　因此，系統(tǒng)工程師必須找到能夠滿足緊密封裝要求的設(shè)計解決方案，同時對用戶來說要確保延長電池續(xù)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(xù)航時間并簡化電池充電，同時為這些設(shè)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(fā)人員可以快速打造復雜的真無線產(chǎn)品，并能夠充分利用快速發(fā)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(yīng)商。

　　如何管理健身耳穿戴設(shè)備的電源

　　工程師可以利用超低功耗片上系統(tǒng) （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(xù)航時間（圖 1）。

圖 1：對于真無線健身耳穿戴設(shè)備設(shè)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(chǔ)，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(nèi)部穩(wěn)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(yōu)化設(shè)計的實現(xiàn)，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）。

　　表 1：健身耳穿戴設(shè)備設(shè)計中主要 SoC 的電壓供應(yīng)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(wěn)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(shè)備等空間受限的低功耗應(yīng)用設(shè)計，在 2.79 mm x 2.34 mm 的封裝中提供三個降壓升壓開關(guān)穩(wěn)壓器輸出和兩個低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器，具有 6 mA 的低工作電流和 0.3 μA 的關(guān)斷電流。開發(fā)人員能夠以 50 mV 的步階分別對 MAX77654 的三個降壓升壓穩(wěn)壓器進行編程，以提供 0.8 至 5.5 V 的穩(wěn)壓輸出。同樣，兩個 LDO 穩(wěn)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(wěn)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(shè)計尺寸（圖 2）。

圖 2：Maxim Integrated 的 MAX77654 PMIC 可簡化開發(fā)過程，能夠通過兩個 LDO 和三個降壓升壓穩(wěn)壓器提供多個可編程電壓軌，其中由于器件采用 SIMO 技術(shù)而只需要單個電感器。（圖片來源：Maxim Integrated）

　　在完整的系統(tǒng)中，MAX77654 的關(guān)斷控制器和電源定序器可根據(jù)應(yīng)用所需的特定順序，管理內(nèi)部電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和定時，以啟動（或關(guān)閉）電源軌。例如，在健身耳穿戴設(shè)備設(shè)計中，開發(fā)人員可以對器件進行編程，以按順序接通各個 SoC 和子系統(tǒng)的電源，從而減少峰值電流需求或避免音頻失真。

　　電池管理

　　除系統(tǒng)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(nèi)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(shù)可根據(jù)需要自動將電源從輸入電源 （CHGIN） 切換到電池 （BATT） 和系統(tǒng) （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(tài)寄存器，允許開發(fā)人員監(jiān)測和控制器件運行的方方面面。通過設(shè)置中斷控制寄存器，開發(fā)人員可以對器件進行編程，以向主機處理器發(fā)出各種運行條件和故障警報，包括系統(tǒng)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(chǎn)品，開發(fā)人員通常會結(jié)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(xù)航時間預測算法，并可動態(tài)估算運行期間的電池剩余續(xù)航時間和充電期間的充電完成時間。開發(fā)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(shè)備中，開發(fā)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(shù)或減少音頻帶寬等策略，溫和地實現(xiàn)應(yīng)用功能降級，最終在電量低于可維持限值之前向用戶發(fā)出警報。

　　無線充電

　　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(shè)備，剩下的一項重大挑戰(zhàn)是提供合適的充電源。根據(jù)定義，該充電源無法利用有線電源適配器或 USB 等傳統(tǒng)有線方法。對于這個問題，無線電源技術(shù)和相關(guān)硅解決方案的出現(xiàn)提供了現(xiàn)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(yīng)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(yīng)（請參閱“感應(yīng)與共振無線充電”）。

　　多年以來，感應(yīng)無線電源已廣泛用于電子牙刷等消費類產(chǎn)品或助聽器等醫(yī)療產(chǎn)品的充電，目前已達到一定的成熟度和設(shè)備支持度，使其成為甚至最先進電子產(chǎn)品的安全選擇。因此，從原理上，開發(fā)人員僅需使用 Analog Devices 的 LTC4124 無線鋰離子充電器，將電能從感應(yīng)耦合線圈接收到 Analog Devices 的 LTC6990 壓控振蕩器 （VCO） 驅(qū)動的發(fā)射器線圈，即可實現(xiàn)無線充電。除了 LTC4124 接收器和 LTC6990 VCO，完整的無線電源設(shè)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(fā)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(fā)人員僅需添加幾個元器件即可實現(xiàn)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(shè)計，但已不再適合消費類產(chǎn)品，這是因為用戶迅速接受了基于無線充電聯(lián)盟 （WPC） Qi 規(guī)范的標準無線電源產(chǎn)品（請參閱“符合 Qi 標準的無線充電”）。如上所示，這種簡單的設(shè)計為專用無線產(chǎn)品及其關(guān)聯(lián)的充電座而打造，缺乏關(guān)鍵功能，例如接收器與發(fā)射器之間的通信、異物檢測 （FOD） 以及 WPC Qi 規(guī)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(fā)射器平臺的興起。因此，在開發(fā)健身耳穿戴設(shè)備這樣需要無線電源的消費類產(chǎn)品時，開發(fā)人員可以預期潛在用戶已經(jīng)擁有（并傾向于使用）現(xiàn)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(shè)計上。

　　實際限制

　　不過，利用通用的無線充電產(chǎn)品確實需要根本性轉(zhuǎn)變設(shè)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(fā)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(shù)。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(shè)備中的直徑非常小的線圈，則會使無線電源設(shè)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(chǎn)品設(shè)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(zhàn)，真無線耳塞產(chǎn)品通常會采用更實用的方法，將 Qi 兼容的無線接收器內(nèi)置于耳塞盒中。將耳塞放入耳塞盒中后，每個耳塞中內(nèi)置的插針會與盒底座中內(nèi)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(xiàn)健身耳穿戴設(shè)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。

　　無線接收器解決方案

　　幸運的是，開發(fā)人員可以找到專門設(shè)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(shè)備遠遠超出了支持標準無線電力傳輸?shù)淖畹鸵?，并提供了旨在簡化整體系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(fā)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(fā)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(chǎn)品（如智能手機）對另一種產(chǎn)品進行無線充電。例如，Maxim Integrated 的 MAX77950 只需極少的額外開發(fā)工作，即可實現(xiàn)對使用現(xiàn)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(guī)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）

　　無線電源開發(fā)支持

　　盡管無線電源功能和相關(guān)設(shè)備不斷發(fā)展，但開發(fā)人員仍可以找到現(xiàn)成的開發(fā)支持資源，包括開發(fā)板、設(shè)計指南和應(yīng)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(fā)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(fā)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(fā)射器板主要基于先前所述的 LTC4124 設(shè)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(fā)射器板都改為采用 Analog Devices 的 LTC4125 無線電源發(fā)射器。

　　STMicroelectronics 為其器件提供了用于 STWLC03 無線電源接收器的 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(fā)；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(shè)計資源，通常包括 BOM、原理圖和物理設(shè)計布局指南，便于開發(fā)人員構(gòu)建定制設(shè)計。

　　對于軟件開發(fā)，通常也有現(xiàn)成或應(yīng)要求提供的驅(qū)動程序和評估軟件。例如，Maxim Integrated 的 MAX77950 評估套件軟件包允許開發(fā)人員通過 USB 從 Windows? 10 計算機連接到 MAX77950EVKIT 來監(jiān)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(guān)文檔可引導開發(fā)人員進行不同的 MAX77950 器件設(shè)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）

　　總結(jié)

　　真無線健身耳穿戴設(shè)備的設(shè)計給設(shè)計人員帶來了實現(xiàn)更高效系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，同時也推動了高級無線充電技術(shù)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(xiàn)為開發(fā)人員提供了多種選擇，有助于在健身耳穿戴設(shè)備產(chǎn)品中實現(xiàn)無線充電功能。通過使用這些標準解決方案，開發(fā)人員可以快速打造復雜的真無線產(chǎn)品，從而能夠充分利用快速發(fā)展的第三方兼容無線充電平臺。