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TWS蓝牙耳机一直很受欢迎,与之匹配的耳机母体——充电仓也非常重要。充电仓可对TWS耳机及自身进行充电管理、显示电量,将SOC(电池的荷电状态)传到手机APP。方案休眠电流低至0.5µA,符合收纳盒小巧空间需求,以及低待机功耗等节能要求。
本方案基于BP66FW1240无线充电接收专用Flash MCU,组合了低功耗蓝牙芯片BC7161和电源芯片HT7133-1,可实现对自身以及耳机进行充放电管理,自带的软件库仑计可计算SOC(电池的荷电状态),同时通过BC7161蓝牙模块将SOC传到手机APP。
图1. 充电仓实物及SKD。电量显示有两种方式:LED灯显示以及蓝牙APP显示。LED灯显示通过点亮灯的个数来显示电量,0~40%电量亮1个灯,40~60%电量亮2个灯,60~80%电量亮3个灯,80~100%电量亮4个灯。
LED灯除了可显示电量外,还可通过流水灯效来表示充电仓的充电状态。蓝牙APP显示需要在手机上预装对应的蓝牙APP,充电仓盖子开启时通过APP进行蓝牙连接即可观察到BC7161模块广播出来的电量数据。
本方案基本特性如下:
工作电压:DC3.8V(锂电池供电)
工作电流:待机电流12µA,
耳机充电电流:340mA
温度条件:-40℃~85℃
收纳盒充电电流:140mA
LDO输出电压:5V
BLE工作频率:2426MHz
BLE数据速率:1Mbps
BLE发射输出功率:-2dBm
最大充电电流:600mA
本方案主要由主控模块与蓝牙广播模块组成,主控芯片BP66FW1240具有4K ROM程序储存空间,20个双向I/O接口,以及多个定时器模块供用户使用,另外还具有I2C串口界面模块用于数据通讯。在无线充电接收部分则内建了高效率同步整流线路、线性充电功能、LDO和通讯调变功能。
图2. 原理图主控模块对内部电池充电方式有两种,一种是直接通过USB-Type-C界面直接充电,另一种是通过符合QI协议的无线充电底座进行充电。主控板连接的线圈可以将变化的磁场转换为交流电,MCU内置的同步整流电路将交流电转换为直流电,且整流后OVP电压不超过7V,继而通过内置的5V 30mA LDO电路。两种充电方式都可以给线性充电电路以及MCU供电,集成的线性充电可以对电池进行充电管理。
主控IC还通过控制DC/DC升压电路对CH+,CH-(耳机充电触点)进行控制,ETA1061为升压转换器。以12-bit A/D采集充放电电流数据,计算出当前电池电量。U2霍尔元件则判断收纳盒开盖状态,开盖时四颗LED灯显示充电状态以及SOC状态。
蓝牙广播模块主要元件为BC7161模块,是一个完全集成的2.4GHz发射器,由小数N分频合成器、可编程功率放大器(PA)和功率管理模块组成。与主控IC通过I2C通讯,在开启盖子时将主控IC计算出的库仑值进行广播。
权衡成本和性能,选择相应的Rx线圈线材规格。大直径线材或者双股线材(两条平行线)拥有高效率,但价格更高,本方案线圈实物见图3,隔磁材料置于线圈下方,具体参数如下,
感量:14µH;
圈数:14 圈,单芯线;
尺寸:长28.3mm,宽16.2mm;
线径:0.33mm。
首先,需要确定LC网络匹配,计算相关参数。方案中的Rx线圈网络由串联谐振电容C27、C28和并联谐振电容C25、C26组成,可简化为下图4所示,这两个电容组成了一个双谐振电路,其大小尺寸必须根据无线充电联盟(Wireless Power Consortium,WPC)规范来正确选择。
根据WPC电气规范要求,谐振频率必须为100kHz,双谐振电路C1电容量计算公式为:
C1 = 1 / [(100kHz × 2π)2×LS’]
式中,LS’为互感感值,将线圈置于符合QI认证的无线充电器上再进行感值测量,即可得到互感值。经测量,我们得出互感值LS’约为15.3µH。
C1确定后,计算双谐振电路C2、LS時。此时,次级谐振频率必须为1.0MHz,测量得出互感值LS约为14µH。
C2 = 1 / [(1MHz × 2π)2 × ( LS - 1/C1)]
下一步,要确定隔磁材料。线圈隔磁材料为铁氧体片,其作用主要有两个。
(1)为磁通量提供一条低阻抗通路,减少漏感现象提高效率。
(2)使用更少的匝数来实现更高电感的线圈,这样便不会产生过高的电阻,提高能量传送效率。
图5为主板PCB(上)及蓝牙模组(下)布线图。
图5. PCB布线图其中,上左为主板PCB正面,上右为主板PCB反面。下左为蓝牙模组PCB正面,下右为蓝牙模组PCB反面。
本TWS耳机充电仓方案BOM表由主控板和蓝牙模组两部分组成,元器件总数70个。
主控PCB BOM表元器件42个,包括BP66FW1240无线充电接收专用Flash MCU,两个P沟道功率MOS管,一个USB_TYPE_C接口连接器,以及双极性晶体管和阻容元件等。
图6. TWS耳机收纳盒方案BOM表蓝牙模块PCB BOM表元器件28个,包括BC7161低功耗蓝牙芯片(U1)、HT7133-1电源芯片(U5)、ETA1061升压转换器(U2),两个N沟道MOS管,一个32MHz石英晶体谐振器,需要注意的是对应的匹配电容应选择12pF NP0类的MLCC元件。
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