超低待機(jī)功耗的真無線耳機(jī)充電盒子設(shè)計(jì)

作者： TI 工程師 Charles Wong

無線耳機(jī)已經(jīng)在市場上風(fēng)云了超過10年，而且其取代有線耳機(jī)的趨勢非常明顯。 但是大多數(shù)傳統(tǒng)的無線耳機(jī)只是實(shí)現(xiàn)耳機(jī)和適配設(shè)備（如手機(jī)，電腦等）的分離。卻仍然需要線纜將兩個(gè)耳塞連接起來以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的一致性同時(shí)降低設(shè)計(jì)成本。這使得用戶的舒適性大大降低，同時(shí)讓耳機(jī)的觀賞性急劇下降！尤其是作為休閑和運(yùn)動(dòng)用途的耳機(jī)，這種設(shè)計(jì)在一定程度上還增加了線纜被纏繞導(dǎo)致人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

近年來，隨著科技的進(jìn)步和藍(lán)牙無線方案的成熟， 市場上開始涌現(xiàn)了如圖1所示的真正的無線耳機(jī)，即兩個(gè)耳塞之間不再需要線纜來連接， 并有取代傳統(tǒng)線纜式無線耳機(jī)的趨勢。這極大地提高了無線耳機(jī)的觀賞性和便攜性。

圖1. 真無線耳機(jī)產(chǎn)品

由于真無線耳機(jī)尺寸極小，導(dǎo)致耳機(jī)內(nèi)部只能防止容量非常小的鋰離子電池，這種電池容量往往在50mA·H以內(nèi)。此外，嚴(yán)苛的尺寸要求導(dǎo)致了無線耳機(jī)內(nèi)部無法集成傳統(tǒng)的micro-USB充電接口，取而代之的是兩個(gè)簡單的金屬片來作為耳機(jī)充電的輸入接口。由于耳機(jī)電池容量的限制，一般廠家都會(huì)標(biāo)配一個(gè)專屬充電盒來延長耳機(jī)的使用時(shí)間。由于體積的限制，充電盒的容量一般在1000mA·H以內(nèi)，可以支持兩個(gè)50mA·H無線耳機(jī)充電5次以上。

圖2. TIDA-050007系統(tǒng)框圖

TIDA-050007是專門針對這種應(yīng)用而研發(fā)的參考設(shè)計(jì)。圖2顯示了TIDA-050007參考設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖。該參考設(shè)計(jì)提供了一個(gè)從充電盒到耳機(jī)的全套電源解決方案。TIDA-050007包含兩部分創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)來延長充電盒子的使用時(shí)間，同時(shí)減小充電盒子和耳機(jī)的PCB板級(jí)尺寸。

首先，整體待機(jī)功耗僅僅為18μA（一直使能狀態(tài)），這個(gè)功耗幾乎比市面上所有的單顆芯片（比如充電芯片，升壓芯片，LDO）的靜態(tài)功耗還低。這歸功于本參考設(shè)計(jì)選用了TI業(yè)界領(lǐng)先的超低功耗MSP430 MCU（<1μA靜態(tài)電流），, 充電芯片BQ25100A（75nA靜態(tài)電流），升壓芯片TPS61099（800nA靜態(tài)電流）和LDO TPS7A05（1μA靜態(tài)電流）。這么低的待機(jī)功耗可以使充電盒每個(gè)月的靜態(tài)消耗小于1.6%的電池容量（以800mA·H電池容量為例）。而市面上大部分充電盒每個(gè)靜態(tài)消耗在10%以上，這種類型的充電盒如果半年不用或者忘記使用，基本上內(nèi)部鋰電池已經(jīng)永久性損壞。而基于TIDA-050007參考設(shè)計(jì)的充電盒可以有效的保護(hù)電池，因?yàn)檫@個(gè)靜態(tài)損耗甚至低于某些鋰電池的自放電損耗。

第二個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)在于升壓芯片TPS61099。 TPS61099 是一顆0.8μA超低靜態(tài)電流的同步升壓芯片。TPS61099的限流值設(shè)計(jì)在1A，同時(shí)采用了1.23mm×0.88mm的6球WCSP 封裝， 使得非常適合這個(gè)充電盒子應(yīng)用。 此外TPS61099擁有可編程電壓反饋引腳，以及支持在輸入電壓高于輸出電壓時(shí)進(jìn)入直通模式。這種直通模式在充電盒滿電狀態(tài)時(shí)可以使充電效率高達(dá)90%以上。此外， 本參考設(shè)計(jì)還通過檢測耳塞的電池電壓狀況來調(diào)整FB引腳電壓，這樣充電電壓便跟隨了耳機(jī)電池電壓的變化而調(diào)整。相對于常規(guī)的5-V固定電壓輸出的OTG升壓方案，本參考設(shè)計(jì)可提升整體充電效率超過15%。同時(shí)耳機(jī)內(nèi)部充電芯片采用高精度BQ25100A， 支持1mA充電電流精度。

圖3是TIDA-050007的PCB照片，圖4是電壓跟蹤功能的測試結(jié)果(測試條件：充電盒子電壓4.2V)， 由此可以看出在輸入電壓（充電盒子電池電壓）高于輸出電壓（耳機(jī)電池電壓）時(shí)， 升壓芯片工作在直通模式，一致到輸入電壓無法維持設(shè)計(jì)的充電電流，升壓芯片將開始進(jìn)入升壓模式以滿足充電電流的要求。這樣極大的提升了充電效率降低了熱損耗。

圖3. TIDA-050007 PCB 圖4. TIDA-050007電壓跟蹤示意圖

對于TIDA-050007的靜態(tài)充電測試顯示，相較于傳統(tǒng)5V固定輸出電壓的充電方案，TIDA-050007的充電能耗從3.35W·H下降到2.73W·H（測試條件為：充電盒子電池電壓固定4.2V，對600mA·H鋰離子電池從3V充到4.2V）。即使在整個(gè)電池電壓范圍內(nèi)（3.3V～4.2V），該參考設(shè)計(jì)仍然具有15%以上的綜合效率提升。詳細(xì)測試結(jié)果請參考TIDA-050007 用戶手冊^[1]。

綜上所述，TIDA-050007極大的延長充電盒子的充電次數(shù)，極其適用于便攜式音頻/醫(yī)療設(shè)備。不要猶豫，馬上下載設(shè)計(jì)文檔，開始設(shè)計(jì)屬于你的充電盒子吧！

審核編輯：符乾江