TWS (真無線耳機) 市場

近年來，TWS無線耳機整體市場持續(xù)快速增長，市場越來越火爆，同時，包括智能終端、藍牙技術(shù)、芯片技術(shù)的不斷提升發(fā)展，進一步加快了TWS無線耳機的產(chǎn)品普及。而各個廠家都推出了自己的解決方案，本文介紹美信的獨有方案。

系統(tǒng)架構(gòu)

圖1所示為本設(shè)計框圖,包括兩部分：充電盒和耳機。

充電盒采用3.7V@125mAH 鋰電池供電，通過USB 對其充電，利用美信高性能的電量計芯片MAX77818對電池進行管理，由采用美信SIMO技術(shù)的集成電源管理芯片MAX17270 對系統(tǒng)供電。主控系統(tǒng)采用美信低功耗的Cortex M4 處理器MAX32660。

耳機采用3.7V小型鋰電池供電，由充電盒的PLC MAX20340對耳機進行充電并通信，低功耗的電量計芯片MAX17260主要對電池進行管理測量，由采用美信SIMO技術(shù)的集成電源管理芯片MAX77651對系統(tǒng)供電。主控系統(tǒng)用同款處理器MAX32660。同時配備了音頻codec MAX98090，方便語音處理和測試。這個Codec只是為了說明效果，驗證方案的可行性。

整個電路板的尺寸（包括所有元件）是充電盒：46mm*46mm，耳機：58mm*46mm，因為所有器件都有小封裝尺寸，實際產(chǎn)品尺寸可以做到很小，以滿足實際耳機尺寸要求。

圖1 設(shè)計系統(tǒng)框圖

圖2是本設(shè)計的電路實物，我們所有測試都是基于它進行的。

圖2 MAXREFDES1263

數(shù)據(jù)通信和能量傳輸

TWS 耳機中，充電盒與耳機的數(shù)據(jù)傳輸和能量傳遞很關(guān)鍵。目前市場上真無線耳機常常使用3個(或更多)引腳與其充電盒連接，用于傳輸數(shù)據(jù)和電源。額外的引腳則需要更大的空間，同時也會導(dǎo)致可靠性隱患。此外，耳機電池充電期間常采用固定電壓，該方法會引起有害發(fā)熱。本設(shè)計采用美信專有的MAX20340來實現(xiàn)耳機與其充電盒之間的電源和數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)信號疊加到電源上，這樣接口僅使用兩個引腳，有效減少故障點數(shù)量，從而提高可靠性。MAX20340為通用的雙向直流電力線通信 (PLC)管理IC，最大碼率為166.7kbps，支持最大1.2A充電電流，它的一個顯著特點是能同時實現(xiàn)充電和數(shù)據(jù)傳輸。MAX20340具有從機檢測電路，當PLC主機檢測到電力線上出現(xiàn)PLC從機時，該電路向系統(tǒng)產(chǎn)生一個中斷。該功能允許系統(tǒng)保持在低功耗狀態(tài)，直到連接上某個從機器件。這一特點很合適充電盒應(yīng)用。

圖3 MAX20340 PLC 數(shù)據(jù)通信波形圖

MAX20340的許多特性，例如主/從模式、I2C地址、雙/單PLC從機模式以及PLC從機地址，都可以通過引腳配置，從而方便簡化設(shè)計。器件采用9焊球、0.4mm焊球間距、1.358mm x 1.358mm晶圓級封裝(WLP)。

圖4 MAX20340 結(jié)構(gòu)框圖

圖5 MAX20340配置流程圖

MAX20340工作流程

在開始時，PLC線上處于鉗位狀態(tài)，這樣可以確保安全。上電后，設(shè)備首先進行初始化，主要是檢測設(shè)備配置電阻值（RSEL），從而確認設(shè)備的工作模式（主機/從機模式，從機數(shù)量），設(shè)備I2C地址，從機地址。這個過程大概需要3mS左右，可以用等待方式或者用中斷方式(Rsel_Donei)來確認初始化是否完成。初始配置完成后，我們可以通過讀取寄存器DEV_STATUS來確認配置的工作模式。

當設(shè)備是主機模式時，它處于低功耗關(guān)斷狀態(tài)，使能（/EN）后, 進入從機檢測狀態(tài)。如果成功檢測到從機，主機就會開通PLC通道上的開關(guān)（Q1/2），進入從機充電模式，從而可以通過VCC對PLC端進行充電，充電電流可達1.2A。同時，主機可以主動啟動PLC線上通信，進入PLC模式，和從機交換數(shù)據(jù)。整個過程中，如果有任何的短路不安全因素發(fā)生，設(shè)備會自動斷開開關(guān)（Q1/2），進入安全模式。

當設(shè)備是從機模式時，它處于低功耗關(guān)斷狀態(tài)，使能（/EN）后, 進入主機檢測狀態(tài)。如果成功檢測到主機，并且線上PLC電壓大于設(shè)置的門限電壓，設(shè)備就進入主機找到模式，使能數(shù)據(jù)通信，自動配置開關(guān)（Q1/2）處于LDO模式，并等待主機的數(shù)據(jù)通信命令。當收到主機協(xié)議時，就可以相應(yīng)的回復(fù)數(shù)據(jù)。主機隨時可以通過命令使從機恢復(fù)空閑等待狀態(tài)，斷開開關(guān)（Q1/2）。 需要注意的是，主從之間的數(shù)據(jù)通信必須由主機發(fā)起。當有雙從機時，兩個從機是通過特定的位地址來確認的。

高性能電量計

充電盒設(shè)計電池部分采用美信最新的電量計管理芯片MAX77818。MAX77818將高性能開關(guān)充電器和專有的ModelGauge? m5電量計集成于一個WLP封裝，是USB供電便攜式設(shè)備的理想選擇。智能電源通路充電器支持兩路輸入，帶有反向阻塞和USB-OTG，集成全部功率開關(guān)，工作在較高開關(guān)頻率，具有高效率，支持利用較小外部元件實現(xiàn)低熱設(shè)計。Maxim ModelGauge m5算法既有庫侖計出色的短期高精度、高線性度特性，又具有電壓電量計優(yōu)異的長期穩(wěn)定性，而溫度補償還提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的計量精度。器件還集成兩個高壓輸入LDO，可通過I2C接口靈活編程。需要說明的是，為了準確的測量電池電量，需要對電池進行建模，取得電池的特征參數(shù)。美信有專門的團隊可以幫助電池建模。當然，在初始階段，大家也可以利用美信網(wǎng)上的工具生成簡單的建模參數(shù)，進行測試評估。

耳機部分采用MAX17260。這是一款超低功耗電量計IC，低至5.1μA工作電流，采用Maxim ModelGauge? m5算法，監(jiān)測單節(jié)電池，支持高邊和低邊電流檢測。值得說明的是MAX17260支持ModelGauge m5 EZ算法，即不要求對電池進行特征分析，很容易實現(xiàn)電量計量，并簡化主機軟件。算法具有較高容限，支持多種鋰電池應(yīng)用。IC在較寬的工作條件下自動補償電池老化、溫度和放電率，無需校準，并以百分比(%)提供精確的電量狀態(tài)(SOC)，以毫安時(mAh)提供剩余容量。當電池達到接近空電量的臨界區(qū)域時，算法激活特殊的誤差修正，進一步消除誤差。IC精確估算剩余工作時間和電池充滿需要的時間，提供三種報告電池壽命的方法：容量降低、電池電阻變大和充電次數(shù)增加。

圖6 MAX77818 結(jié)構(gòu)框圖

圖7 MAX17260結(jié)構(gòu)框圖

處理器單元

MAX32660是帶有浮點運算單元 (FPU)的超低功耗ARM M4核的MCU，自帶256KB閃存、96KB RAM、16KB指令緩存、14個通用I/O引腳，采用簡單的SWD編程。其內(nèi)部振蕩器工作頻率高達96MHz，支持SPI, UART和I2C通信。 它集成了優(yōu)化的電源管理單元，待機電流只有2uA，可以最大程度延長電池的工作時間。MAX32660的超低待機功耗，靈活的電源配置，超小體積（1.6mm x 1.6mm），使其非常適合可穿戴設(shè)計應(yīng)用，包括無線耳機，運動手表，手環(huán)，健身設(shè)備，手持醫(yī)療設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等應(yīng)用。本設(shè)計中，MAX32660用于處理各種軟件工作，軟件流程圖見圖8。流程圖包括兩部分：充電盒端和耳機端。

充電盒端軟件流程工作如下：首先上電后初始化GPIO口和各個外設(shè)，包括I2C， SPI，Timer1，并配置好中斷向量。接下來配置外圍器件，包括電量計芯片MAX77818，DC-DC電源MAX77813， PLC 芯片MAX20340，OLED顯示屏。MAX77813是給MAX20340供電，直接配置成5V輸出（VOUT[6:0]=0x78）。MAX20340配置成主機模式，并設(shè)置好PLC數(shù)據(jù)格式，PLC電流和電壓大小，充電電壓門限，LDO電壓差，以及中斷使能。因為參考設(shè)計默認充電盒一直工作待機，當有外部USB電源輸入時，充電盒就開始充電，直到電池充滿。OLED始終顯示電池電量。當有從機PLC連接時，主機立馬收到中斷信號，并進行從機識別判斷。如果檢測到是正確的從機后，打開PLC輸出對從機進行充電，并定時詢問從機，正確收到從機反饋后，讀取從機發(fā)來的數(shù)據(jù)（耳機的電量和充電狀態(tài)百分比）并進行顯示。

耳機端軟件流程工作如下：首先上電后初始化GPIO口和各個外設(shè)，包括I2C，Timer1，并配置好中斷向量。接下來配置外圍器件，包括電量計芯片MAX17260，SIMO電源MAX77651, PLC 芯片MAX20340， Codec MAX98090 。MAX20340配置成從機模式，并設(shè)置好PLC數(shù)據(jù)格式，PLC電壓大小，充電電壓門限，LDO電壓差，以及中斷使能。從機MAX20340連接到主機后，就由主機MAX20340通過PLC線上進行供電，進而從機MAX20340對MAX77651供電，并由MAX77651提供整個耳機需要的各個電源。當從機收到主機通訊命令時，進行響應(yīng)，發(fā)送回耳機的電池電量和充電狀態(tài)。

圖8 MAX32660 軟件流程圖

電源管理系統(tǒng)

穿戴設(shè)備都是電池供電，對工作時間有一定要求，同時對體積也有嚴格要求，希望越小越好。因此，電源管理系統(tǒng)就顯得尤為重要。小尺寸鋰電池供電設(shè)備的大多數(shù)PMIC還會需要其它附加器件，例如boost、buck或低壓差（LDO）穩(wěn)壓器、充電管理器或用于LED顯示器的電流調(diào)節(jié)器。為節(jié)省空間、提高效率，MAX77651將上述功能全部集成在一起，構(gòu)成完整的電源方案，而面積只有19.2mm² ，基本是當前市場上類似方案尺寸的1/2。MAX77651另一個顯著特點是采用單電感多輸出（SIMO） buck-boost架構(gòu)，憑借獨特的內(nèi)部控制系統(tǒng)實現(xiàn)單個電感提供三路電源輸出，并結(jié)合150mA LDO和三路灌電流驅(qū)動器，大大減少板級元器件數(shù)量，最大程度地增大電路板可用空間。為提高設(shè)計靈活性，MAX77651分別支持最高3.3V和5V工作電壓，同時也提供各種工廠編程選項，允許客戶根據(jù)自身需求量身定制方案，使產(chǎn)品快速上市，是一款理想的低功耗設(shè)計應(yīng)用的芯片。因此，MAX77651具有超低待機功耗（0.3uA），高效率，少器件，小尺寸的顯著優(yōu)勢。下圖是采用美信SIMO方案和傳統(tǒng)電源方案的一個示例對比測試。

充電盒同樣采用了SIMO技術(shù)的電源管理芯片MAX17270。MAX17270為3路輸出開關(guān)調(diào)節(jié)器，它的一大顯著特點是通過電阻來設(shè)置三路輸出電壓，特別方便簡單。設(shè)計用于要求在極小空間內(nèi)高效調(diào)節(jié)多個電源的應(yīng)用，能夠建立高于、低于或等于輸入電壓的輸出電壓，所以能夠充分利用整個電池電壓范圍。

圖9 SIMO方案和傳統(tǒng)電源方案對比

圖10 MAX77651 應(yīng)用框圖

電源測試

系統(tǒng)既有高精度模擬電源，也有數(shù)字電源，而我們設(shè)計采用的是單一集成的電源方案，因此其性能對系統(tǒng)精度極為重要。電路設(shè)計和PCB布線一定要以數(shù)據(jù)手冊要求為主，尤其重點要注意以下幾點：

一是IN_SBB和SBBx的電容要盡可能的靠近管腳，盡量不要有過孔；

二是SBBx的輸出走線盡可能短，減少和負載端的分布參數(shù)；

三是采用SIMO技術(shù)的高度集成方案，外圍器件很少，主要就一個電感和幾個電容，所以整個尺寸很小。為了保證性能，需要多層布板，建議4層或以上，保證有單獨的電源層和地層。

下圖是本參考設(shè)計測試的MAX77651B 輸出波形，可以看到紋波最大是35mVpp。這是單一電感3路輸出的效果，性能完全可以接受。

圖11 MAXREFDES1263電源紋波測試

參考文獻：

1．MAX20340數(shù)據(jù)手冊及參考資料, Maxim Integrated Products,

https://www.maximintegrated.com/en/products/comms/MAX20340.html

2．MAX77818數(shù)據(jù)手冊及參考資料, Maxim Integrated Products,

https://www.maximintegrated.com/en/products/power/battery-management/MAX77818.html

3．MAX17260數(shù)據(jù)手冊及參考資料, Maxim Integrated Products,

4．https://www.maximintegrated.com/en/products/power/battery-management/MAX17260.html

5．MAX77651數(shù)據(jù)手冊, Maxim Integrated Products, 

https://www.maximintegrated.com/en/products/power/switching-regulators/MAX77651.html

6．MAX77650/MAX77651 編程手冊, Maxim Integrated Products

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6428

7．MAX32660數(shù)據(jù)手冊, Maxim Integrated Products, 

https://www.maximintegrated.com/en/products/microcontrollers/MAX32660.html

8．MAX32660 用戶編程手冊，Maxim Integrated Products,

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6659

*關(guān)于作者

方良，碩士，主要從事工業(yè)和醫(yī)療技術(shù)應(yīng)用和支持

賈寧，碩士，主要從事信號鏈技術(shù)應(yīng)用和支持