提升TWS耳机续航,需要什么样的“充电桩”?

出处: AVNET 发布于:2022-05-07 16:33:23

    根据IDC发布的zui新数据,2020年quan球可穿戴设备的出货量预计可达到3.96亿台,与2019年相比增长14.5%。如果从可穿戴细分市场来看,可听式穿戴设备(Hearables)占到了总出货量的近六成,表现十分抢眼。

    图1:quan球看穿戴市场出货量分析(资料:IDC)

    可听式穿戴设备之所以能够达到如此大的规模,背后的一个zui重要的推手就是TWS真无线耳机的崛起。自从2016年苹果推出AirPods以来,在很短的时间内就取得了巨大的市场成功——如今在每天上下班通勤途中,总是能够看到擦肩而过行人耳边露出的白色“小蝌蚪”,AirPods的市场渗透率由此可见一斑。

    这也引发了其他友商的入局和跟进,zui终成就了TWS市场整体的繁荣。根据IDC早前的市场分析,TWS耳机在过去几年中一直保持着100%的增长率,2019年的出货量达到了1.2亿台,而2020年底有望突破2亿台。

   

    图2:quan球TWS耳机市场走势及各厂商市场占有率(资料:IDC)

    不过从分析数据中我们能够很明显看到,尽管受到“群狼”的围攻,苹果仍以超过40%的市占率稳坐TWS市场的头把交椅。这与其先入为主的市场策略有关,但另一方面,从综合的产品性能来看,能够与AirPods掰手腕的TWS产品确属凤毛菱角。很多厂商,包括一些以前在蓝牙耳机领域颇有建树的品牌,在di一代TWS产品上都踩过坑,可见TWS的技术门槛还是不容小觑的。有AirPods这样的行业标杆在前,后来者的压力自然不小。

    从zui终用户的角度来看,消费者的胃口也被越吊越高,对TWS产品的要求也原来也多——TWS的音质不能太“白开水”;延时也要尽可能短,不能耽误“吃鸡”;降噪方面不管是被动式还是主动式,总之要有所作为……当然,还有一个zui为关键的指标,那就是TWS的续航要尽可能长,越长越好!

    说实话,在一个仅几克重的耳机里,要挤下主控蓝牙芯片、音频解码器、扬声器、麦克风,以及存储器传感器元器件,难度已然不小,想要安放一个容量大一些的电池就更难了,这也使得TWS耳机在续航表现方面通常敌不过传统的蓝牙耳机。不过为此,AirPods已经给出了一个合理的解决方案,那就是利用一个耳机收纳充电仓,在不使用耳机的时候随时为其充电,每次拿出耳机时都确保其能量满满,也使得耳机的累计续航时间大大增加——经由充电仓补充电能,初代的TWS的总续航能力都在10-20小时,而目前zui新款的TWS都提升到了25-30小时。

    与空间狭小局促的耳机相比,人们可能会认为TWS充电仓的设计会轻松不少,而实际上其中的挑战也不简单,其中zui突出的挑战来自两个方面:

    ? 更小的体积:作为一个便携设备,TWS的充电仓体积同样会受到约束,而且从目前的趋势来看,充电仓中还会不断增添新的功能——如无线充电——因此其在空间利用率上也是需要锱铢必较的。

    ? 更高的效率:效率不高,可能会在充电过程中导致耳机发热,进而影响充电速度,同时也会造成更多能量的损耗,影响总的续航时间。

    解决上述问题,就需要经过专门优化的产品提供助力。好消息是,我们已经能够在市场上看到针对性的产品和解决方案。

    比如在简化耳机充电电路,压缩系统空间方面,Maxim Integrated前不见就提出了一种新颖的解决方案。

    传统的TWS充电过程中,需要使用3个或更多的引脚,其中两个引脚用于充电,其他引脚用来在充电盒和耳机之间建立通信(或数据)通道,一方面跟踪耳机电池的充电状态以便对充电过程进行调控,另一方面实现设备固件升级和/或用于工厂调试,在一些方案中还使用专用的(pogo)引脚检测耳机是否被放入充电盒。但更多的引脚,也就意味着电路布线的复杂性会增加,而且会在可靠性上引入额外的风险。

    图3:典型的充电仓为耳机充电电路,需要使用至少3个引脚(图源:Maxim)

    对此,Maxim Integrated提出了一种“电力线通信”解决方案——MAX20340直流电力线通信管理IC,它将数据和电源传输组合到单个通道,将数据信号叠加到电源上,这样一来仅使用2个引脚就可以同时实现电力传输(zui大充电电流为1.2A)和双向通信(速率高达166.7kbp),整个充电系统也相应地得以简化。

 

    图4:MAX20340仅需要两个引脚即可实现耳机和充电盒之间的数据和电源传输(图源:Maxim)

    在提升充电仓为耳机充电的效率方面,Maxim Integrated同样也提出了一个独特的解决方案。

    典型的充电方案中,充电仓中的锂离子电池会以5V的电压向TWS耳机充电,即使耳机电池电压随着充电过程逐渐升高,充电仓输出的电压——也就是耳机线性充电器的输入电压——始终会保持在5V,而这样的高电压会导致更多的功率以热量耗散掉,影响整体的效率。

    Maxim Integraetd在新推出的MAX20343升/降压转换器中,采用动态电压调节(DVS)技术解决了这一问题——在充电过程中,由升压转换器提供的充电仓输出的电压(耳机线性充电器的输入电压)与电池电压之间的电压差,随着电池电压升高而改变,从而减小能量损耗,提高效率。

   

     图5:MAX20343升/降压转换器采用DVS)的技术提升充电效率(图源:Maxim)

    上述的MAX20340与MAX20343配合使用,就构成了一个以小型化、高效率为特点的TWS充电仓解决方案:MAX20340间歇地查询耳机电池电压,并将该信息提供给充电仓中的微控制器;微控制器调节MAX20343的输出电压,使其与耳机电池电压加上线性充电器所需的附加裕量相匹配,这样能够zui大程度降低充电仓中电池的能源浪费,也可避免耳机充电时温度过热,以实现更快的充电速率。

   

    图6:MAX20340与MAX20343配合实现的TWS充电仓解决方案(图源:Maxim)

    与物联网时代的其他电池供电、无线连接的产品一样,TWS也面临着严峻的电源管理的挑战。就像电动汽车行使过程中需要一个个“充电桩”为其补充能量、延伸航程一样,TWS的充电仓也成为了提升耳机续航的关键一环。幸运的是,创新的技术正在让TWS的续航体验不断提升,这也会进一步推动整个TWS市场持续的发展,同时为其他更多新概念的Hearables产品的诞生创造条件。


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