電源集成：智能真無(wú)線耳機(jī)設(shè)計(jì)中的通信接口

真無(wú)線耳機(jī)（TWS 耳機(jī)）由于電池壽命更長(zhǎng)、功能更強(qiáng)大、設(shè)計(jì)更吸引人以及價(jià)格更優(yōu)惠，因此繼續(xù)變得更具吸引力。隨著耳機(jī)制造商專注于小型化和設(shè)計(jì)改進(jìn)，并迅速采用功能來(lái)增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，他們能夠在強(qiáng)大且競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中吸引苛刻的消費(fèi)者。

看看這些新的入耳式系統(tǒng)，乍一看，它們看起來(lái)像是相當(dāng)簡(jiǎn)單的設(shè)備。相反，TWS 系統(tǒng)需要大量電子設(shè)備才能變得智能和用戶友好，如圖 1 中的系統(tǒng)概述所示。

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圖 1：系統(tǒng)概覽（：ams AG）

在日常使用中考慮 TWS 耳機(jī)時(shí)，有多種方法可以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)和輕松的用戶界面集成。TWS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是播放時(shí)間，因?yàn)?TWS 耳機(jī)的電池空間尤其有限?？梢赃_(dá)到 25-80mA/h 的典型電池容量，這導(dǎo)致播放時(shí)間為 2-4 小時(shí)。電池電量耗盡后，耳塞需要重新充電才能準(zhǔn)備好下次使用。

目前，的 TWS 耳機(jī)隨附一個(gè)用于為電池充電的充電座，而不是將電線連接到每個(gè)耳機(jī)。通訊座包括一個(gè)更大的電池，并充當(dāng)方便的隔間——因?yàn)樗苋菀讈G失小耳機(jī)。這允許用戶在旅途中為耳塞充電，而無(wú)需依賴電源插座。這種支架/耳塞配置的目的是保證始終充滿電池。這避免了在鍛煉開(kāi)始時(shí)意識(shí)到您的耳塞因?yàn)殡姵貨](méi)電而無(wú)法使用而感到沮喪！增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的另一個(gè)方面是耳塞的自動(dòng)啟動(dòng)和配對(duì)。當(dāng)耳塞已插入耳朵時(shí)，用戶不想等待設(shè)備配對(duì)或啟動(dòng)。

為使標(biāo)準(zhǔn) TWS 耳機(jī)智能且用戶友好，關(guān)鍵要求是充電座和耳塞之間的數(shù)據(jù)交換。

如果通訊座感應(yīng)到耳塞的電池狀態(tài)，它會(huì)自動(dòng)開(kāi)始為耳塞充電。由于始終開(kāi)啟的微控制器單元 (MCU) 會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)電流消耗，因此需要進(jìn)行持續(xù)充電過(guò)程，如圖 2 所示。相反，如果耳塞感應(yīng)到充電座為空，它可以通過(guò)以下方式自動(dòng)通知用戶為通訊座的電池充電的藍(lán)牙通知。

在自動(dòng)啟動(dòng)和配對(duì)方面，智能連接也將是有益的。如果支架通知耳機(jī)隔間蓋已打開(kāi)，則耳塞會(huì)從睡眠模式中喚醒并準(zhǔn)備 BT 配對(duì)過(guò)程，而無(wú)需按下耳塞上的按鈕即可啟用它們。

除了增強(qiáng)用戶體驗(yàn)外，底座和耳塞之間的鏈接還可以實(shí)現(xiàn)更好的工業(yè)設(shè)計(jì)、軟件更新、耳塞個(gè)性化（名稱、EQ 數(shù)據(jù)）以及將音樂(lè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉?，這只是一些應(yīng)用示例市場(chǎng)上功能豐富且差異化的產(chǎn)品。

為了更清楚地了解技術(shù)實(shí)現(xiàn)，讓我們深入挖掘并更詳細(xì)地了解系統(tǒng)，如圖 2 所示。

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圖 2：詳細(xì)框圖（：ams AG）

在通訊座方面，重要的當(dāng)然是鋰離子電池和隨附的充電器，可借助連接到 USB 插座的標(biāo)準(zhǔn) 5V 電源為其電池充電。電源管理模塊——如 LDO 和 DCDC 轉(zhuǎn)換器——將所需的電源電壓分配給 MCU 和放置在底座中的其他設(shè)備。必須使用專用的 5V 電源為耳塞電池充電。永遠(yuǎn)在線的 MCU 充當(dāng)通訊座的中央控制單元，通常連接到其他幾個(gè)傳感器（蓋子檢測(cè)、耳塞檢測(cè)）以及充電器以接收通訊座電池狀態(tài)更新。

在觸發(fā)事件（例如打開(kāi)蓋子、插入耳機(jī)或耳機(jī)發(fā)送請(qǐng)求）后，它會(huì)交換所需信息或向耳塞發(fā)送命令/數(shù)據(jù)。

在耳塞端，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本非常相似，但當(dāng)然還需要藍(lán)牙 SOC。耳塞中的 MCU 直接與底座側(cè)的 MCU 通信，來(lái)回交換信息。

傳感器方面，可能還有其他設(shè)備，例如用于耳塞檢測(cè)的接近傳感器、加速器傳感器、用于健身設(shè)備的心率傳感器、溫度傳感器和觸摸傳感器。

如圖 2 所示，需要多個(gè)引腳才能實(shí)現(xiàn)充電座和耳機(jī)的智能功能。這一事實(shí)伴隨著幾個(gè)缺點(diǎn)：為了達(dá)到較高的客戶接受度，TWS 解決方案不能比其有線競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手大得多。因此，在耳塞上放置額外的桿子總是會(huì)導(dǎo)致空間和功能之間的折衷。此外，如果需要在聽(tīng)筒上放置多個(gè)桿，也會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)和外觀產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)然，一種選擇是實(shí)施 BLE（藍(lán)牙低功耗連接）鏈接，但這會(huì)顯著影響物料清單成本并增加軟件實(shí)施工作量。

更優(yōu)雅的折衷方案是增強(qiáng)用于為耳塞充電（GND 和 5V）的標(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)制性兩極的功能。如果將兩線連接的功能擴(kuò)展到允許充電并同時(shí)與耳機(jī)進(jìn)行并行通信，則可以實(shí)現(xiàn)所有智能和用戶友好的功能，而不會(huì)在物理空間或設(shè)計(jì)預(yù)期方面造成不利影響。由此產(chǎn)生的用戶體驗(yàn)可以通過(guò)專用應(yīng)用程序進(jìn)一步改善，這得益于耳塞現(xiàn)在能夠向任何智能設(shè)備提供的信息負(fù)載。下面的列表中顯示了一些示例。

剩余電池狀態(tài)

電池狀態(tài)權(quán)

通訊座電池狀態(tài)

配對(duì)狀態(tài)

左右耳塞的名稱或是否匹配

溫度

檢查充電座的軟件更新

關(guān)于通訊座電池電量耗盡的通知信息（尤其是更換過(guò)的電池）

為了合并上面列出的功能，需要對(duì)圖 2 進(jìn)行一些修改，但這會(huì)使系統(tǒng)稍微復(fù)雜一些。我們需要找到一種利用 5 伏電源信號(hào)線的方法，以便能夠通過(guò)單根電線傳輸電力和數(shù)據(jù)。

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圖 3：通過(guò) 5V 電源線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的提案（：ams AG）

圖 3 顯示了一個(gè)可能的簡(jiǎn)化時(shí)序圖，其中顯示了 5V 電源信號(hào)線，數(shù)據(jù)直接調(diào)制到信號(hào)線。主機(jī)端提供 5V 電源以傳輸?shù)娇蛻舳藶殡姵爻潆?，客戶端可能?huì)調(diào)制可傳輸?shù)街鳈C(jī)端的數(shù)據(jù)。在理想情況下，還可以實(shí)現(xiàn)半雙工通信，其中客戶端和主機(jī)共享單根電源線以交替調(diào)制數(shù)據(jù)，以便能夠在底座和耳塞之間交換數(shù)據(jù)。

為了正確實(shí)現(xiàn)這種單線通信原理，需要各種新的系統(tǒng)模塊來(lái)替換圖 2 中所示的兩條串行通信接口信號(hào)線。在主機(jī)端，實(shí)現(xiàn)這種調(diào)制原理的簡(jiǎn)單方法是用一個(gè)線圈來(lái)抑制高頻調(diào)制內(nèi)容和一個(gè)調(diào)制電阻來(lái)調(diào)制一個(gè)電壓降到5V電源信號(hào)線。除了線圈之外，還有一個(gè)數(shù)據(jù)調(diào)制器，可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的電流吸收器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)時(shí)，重要的是要在調(diào)制電流和調(diào)制電壓電平之間找到一個(gè)良好的折衷點(diǎn)，以確保系統(tǒng)對(duì)外部電磁干擾不敏感。另一方面，使用的調(diào)制電流也會(huì)影響通信系統(tǒng)的整體功耗。除了調(diào)制電流之外，另一個(gè)棘手但重要的參數(shù)是它的轉(zhuǎn)換率。陡峭的電流斜坡可能會(huì)導(dǎo)致電磁輻射，從而導(dǎo)致手機(jī)、藍(lán)牙或 FM 收音機(jī)的接收問(wèn)題。有些規(guī)定必須得到滿足，否則終產(chǎn)品可能無(wú)法獲得在某些市場(chǎng)銷售的許可。此外，調(diào)制器也是線路讀取器，旨在從客戶端設(shè)備讀取調(diào)制數(shù)據(jù)（圖 4 中以藍(lán)色表示），而綠色數(shù)據(jù)表示主機(jī)生成的要發(fā)送到客戶端的數(shù)據(jù)。

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圖 4：示例半雙工調(diào)制協(xié)議（：ams AG）

在這個(gè)提案中，每個(gè)幀被分成 64 個(gè)時(shí)隙，從主機(jī)到客戶端傳輸 30 位數(shù)據(jù)，反之亦然. 每個(gè)幀都以主機(jī)生成的同步脈沖開(kāi)始，這是客戶端同步其時(shí)鐘所必需的——因?yàn)橹鳈C(jī)和客戶端不共享相同的時(shí)鐘，因此客戶端需要從數(shù)據(jù)流和同步脈沖。在幀的另一端，客戶端用主機(jī)的同步脈沖終止每個(gè)幀，以指示兩個(gè)設(shè)備同步。不用說(shuō)，這個(gè)例子需要一些預(yù)同步序列，它可以是可能的主機(jī)檢測(cè)電路的一部分?？蛻舳松系倪@個(gè)塊是必要的，以確保數(shù)據(jù)調(diào)制僅在主機(jī)和客戶端都連接時(shí)發(fā)生。為此，一個(gè)可能的解決方案是主機(jī)開(kāi)始發(fā)射脈沖以探索客戶端是否連接到電源終端。一旦啟動(dòng)同步檢測(cè)器檢測(cè)到同步脈沖，它就可以喚醒耳塞內(nèi)的 MCU 以開(kāi)始響應(yīng)同步脈沖，并指示有效客戶端的存在，從而開(kāi)始相互同步。線路讀取器和數(shù)據(jù)調(diào)制器實(shí)現(xiàn)與主機(jī)端相同的目的——從主機(jī)讀取和傳輸數(shù)據(jù)。

線圈L CLIENT 和R MODC 用于阻止高頻內(nèi)容并將數(shù)據(jù)調(diào)制到電源線。此外，電阻器有助于獲得更好的信號(hào)完整性，但如果系統(tǒng)中有更長(zhǎng)的信號(hào)線可用，這一點(diǎn)就更重要了。對(duì)于短信號(hào)走線，不需要傳輸線和 PCB 的阻抗匹配。在更仔細(xì)地觀察傳輸線時(shí)，另一個(gè)重要的考慮因素是直流電阻。為了減少 TWS 耳塞的充電時(shí)間，重要的是保持低直流電阻，以避免由于充電器輸入端的輸入電壓低而可能導(dǎo)致充電器電流降低的大壓降。特別是小尺寸線圈通常會(huì)提供高電阻，這與我們將電阻保持在水平的目標(biāo)背道而馳，

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圖 5：兩線電源和通信框圖（：ams AG）

當(dāng)然，TWS 系統(tǒng)的所有功能和外形因素都處于發(fā)展初期。然而，由于強(qiáng)大且快速增長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)以及不斷嘗試突破物理設(shè)計(jì)極限的苛刻客戶，它將很快達(dá)到頂峰。小型化與延長(zhǎng)電池壽命相結(jié)合是確保 TWS 系統(tǒng)能夠在每個(gè)人的生活中找到用武之地的關(guān)鍵——也許甚至不會(huì)被注意到。這些關(guān)鍵要求導(dǎo)致了建議的實(shí)施結(jié)構(gòu)的普遍問(wèn)題，如圖 5所示. 為所述通信接口（線路讀取器、時(shí)鐘提取單元、數(shù)據(jù)調(diào)制器、啟動(dòng)同步檢測(cè)器）所需模塊的系統(tǒng)集成當(dāng)然不是一件容易的事?？紤]到小型耳塞內(nèi)部現(xiàn)有的尺寸限制，在終外形中使用分立元件的可能性極小。此外，系統(tǒng)繼承了一些復(fù)雜性，因此開(kāi)發(fā)需要對(duì)模擬和數(shù)字設(shè)計(jì)有很好的理解和經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于許多耳機(jī)公司來(lái)說(shuō)，付出的努力足以讓他們放棄并堅(jiān)持添加額外極點(diǎn)的缺點(diǎn)，或者干脆不向他們的系統(tǒng)添加任何智能。

現(xiàn)成的電源：通信 (POW:COM) 解決方案（例如 ams AG 的解決方案）可以顯著降低啟用智能 TWS 系統(tǒng)的障礙。該解決方案由 AS3442（主機(jī)設(shè)備，在充電座內(nèi)）和 AS3447（客戶端設(shè)備，在耳塞內(nèi)）組成，并在不增加太多工作量和開(kāi)發(fā)時(shí)間的情況下增加了更多功能。與AS3442/47的接口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，以降低集成工作量，而兩個(gè)設(shè)備之間的通信是一個(gè)定制的通信接口，滿足前面提到的技術(shù)要求。該接口提供 1kBit/s 的凈數(shù)據(jù)傳輸速率。此數(shù)據(jù)傳輸速率包括所有必要的開(kāi)銷以及傳輸無(wú)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)（如電池狀態(tài)、序列號(hào)或用戶名）的錯(cuò)誤處理。數(shù)據(jù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的 I2C 命令在支架和耳塞之間來(lái)回交換。在 AS3447 內(nèi)部，專用存儲(chǔ)空間（“郵箱交換寄存器”）可用于更新電池電壓電平寄存器等。如果耳塞式 MCU 更新寄存器中的值，通訊座會(huì)自動(dòng)獲得中斷并能夠讀出該值。這樣，底座 MCU 始終知道耳塞的電池電壓，并可以決定是否需要重新充電。

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圖 6：POW:COM 集成示例真無(wú)線耳塞（：ams AG）

當(dāng)然，如果底座電池沒(méi)電了，需要通知耳機(jī)，程序是一樣的，只是方向相反。除了數(shù)據(jù)交換功能外，該器件還提供多個(gè) GPIO，可用于喚醒或控制外部設(shè)備，如 MCU、藍(lán)牙 SoC、外部電池充電器、傳感器或 LED。POW:COM 系統(tǒng)的可能集成示例如圖 6 所示。很明顯，如果使用 POW:COM 系統(tǒng)而不是如前所示的多個(gè)離散功能塊，系統(tǒng)的復(fù)雜性會(huì)大大降低。將 AS3442 和 AS3447 集成到 TWS 中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以輕松實(shí)現(xiàn)智能 TWS 系統(tǒng)，同時(shí)滿足小型化和延長(zhǎng)電池壽命的趨勢(shì)。