突破TWS耳机功耗难题，电源架构与电感该如何打配合

电子发烧友网报道（文/莫婷婷）随着TWS耳机性能的提升，对音频体验，功耗的要求也越来越高，对元器件的体积、性能等都提出了更高的要求。电源架构也在不断优化，电感作为主要的元器件之一，与电源架构之间如何配合，来优化整体功耗，在TWS耳机上的电源有什么特点，功率电感该如何来配合？未来的发展趋势又会如何发展？三体微市场总监赵文庆向电子发烧友网分享了最新的观点。
 
 
提升TWS耳机续航能力，从电源架构入手

如今，TWS耳机的功能越来越丰富，性能也变得更强大。但从另一面考虑，新的功能需要更多的元器件配合，例如空间音频需要增加陀螺仪、3D传感器等元器件，然而性能和功能的升级都会增加功耗。
 
“TWS耳机的功能呈现多元化，这促使功耗不断增长，我们的目标是要把功耗降下来，让TWS耳机有更丰富功能的同时又具备轻便、高续航等优势。但这其实是很难取得的性能平衡。”赵文庆向电子发烧友网表示。
 
电源架构与TWS耳机的功耗息息相关，调整电源架构或是另一种提升续航的解决方案。TWS耳机的电路分为充电仓和耳机两部分。在通用架构中，充电仓只承担了给耳机充电的功能，大部分的电路还是放在耳机狭窄的空间中，充电仓里就有空间被浪费了。

TWS耳机中耳机的电源架构（图：三体微）
 

此外，通用电源架构在充电效率上也存在一定弊端。比如充电仓的电池需要升压升到某个特定的电压值，再去给耳机电池相对应的电压充电。之所以要升压，是因为两个耳机的电池与充电仓电池之间的压差通常是不一致的。高压差会使得效率浪费，是造成续航低的原因之一，当压差缩小，充电效率才会提高，续航也会越长。
 
赵文庆认为，下一代TWS耳机产品极有可能在电源构架上带来新的调整，例如将耳机里的一部分电路放到充电仓里，通过减小压差，可以在某些特定场景下让充电盒给耳机充电的次数增加，在充分利用空间的同时提高效率，由此提升整个续航时间。不过这样的方案是高成本的，且需要充电盒与耳机需要通讯，需要整套方案联合设计，因此预计会在品牌厂商的旗舰级产品中率先应用。这类高端的应用方案，对功率电感的选型规格会和现在通用方案完全不同，且三体微已有完整布局。
 
抑制TWS耳机底噪电流音，追求更纯净的高音质

TWS耳机除了在本身功能不断迭代升级，功耗却要追求不断更低的难题外，TWS耳机本身的产品硬性指标，对音质的追求，毋庸置疑的在不断提升，无论从主芯片端开发的LE Audio，骁龙畅听等软件技术，Hi-Res Audio小金标高品质音乐等认证标准，都是对TWS耳机音质追求的明显标志。
 
“在2022年一整年中，明显观察到终端品牌对耳机的底噪声，电流音等有越来越高的要求，如，在播放静音文件时，尽可能的没有杂音，在蓝牙互联电流最大的时候，不能有一些异常的声音来影响用户体验”赵文庆提到。
 
功率电感，在其通电工作时，会产生感应磁场，再通过产生的感应磁场转换成电能，来回交替的实现储能作用，这个过程中，产生的感应磁场的强与弱，会明显对周围器件的干扰与被干扰有着显著的差异。同时，不同工艺的功率电感，绕线方向的不同，也会产生不同方向的磁感应线，干扰与被干扰需要考虑的结构堆叠也截然不同。功率电感除了在追求更高电气参数，提升整机续航的同时，也需要不断优化漏磁，降低电感工作时产生的Noise。
 
赵文庆表示，在去年三体微推出了，业界首款全磁屏蔽精密绕线电感，显著得提升了产品用户体验，继而在今年年初又推出了更高性能，更低漏磁的产品系列，在高端品牌的认可和鼓励下，公司将沿着这个产品思路，继续投入更大的研发力量，研发更高规格的功率电感，提高产品价值。
 
用电感助力续航能力，三体微突破高感值天花板

在目前传统电源构架的TWS耳机中，对低功耗的追求从未止步，工程师在对主控芯片、电源芯片、存储芯片、传感器、电感等多种元器件的升级迭代时都会考虑到这一点，希望能够把整体功耗降低。那么，电感作为电源架构的关键部件，可以为TWS耳机的续航作出哪些贡献呢？
 
在TWS耳机中，需要用到的电感数量、规格，根据不同的主控平台并不一致。在较为高端的主控平台中，电感是单独的电源电路，可以单独控制负载，低端的主控平台其实是一个总的电源电路，效率、续航就相对较差。一般而言，用到的电感数量越多，就能更精细地控制每个单元，提升整体续航水平。
 
“例如有5个单元，其中2个单元负载需要工作，而另外3个不需要工作的单元负载就可以独立关掉，这样的续航能力一定是会比5个单元同时开着的要好。越高端的主控平台，功耗的痛点也越明显，因此就会用到更多的电感数量；而不同的主控芯片，其产品定义对于EMI，loss switching等综合因素考虑，其电源模块的开关频率定义也会不同，以及多单元控制和少单元控制的负载大小不同，对功率电感的感值需求就会不同，个别主控芯片有一些特殊的要求，三体微也有针对具体应用专门开发的物料”赵文庆提到。
 
作为磁性功率元器件的厂商，三体微的电感产品也在随着TWS耳机的要求而迭代。据了解，三体微成立于2020年，在2021年Q1推出TWS耳机第一款产品——SDHL系列，是国内首创全磁屏蔽精密绕线电感。SDHL系列的推出为三体微打出了一条差异化道路。
 

SDHL系列（图：三体微）

 
全磁屏蔽在抗干扰性上有很大的优势，由于半磁屏蔽电感铜线裸露在外，磁力线也就会分散在周围，对于TWS耳机来说，周围的很多器件都是非常紧凑的，不带屏蔽的电感会比较容易干扰到晶振，Mic，功放等敏感的器件。而全磁屏蔽精密绕线电感可以优化干扰、啸叫等问题，并且磁力线收拢，必要的时候电感底部可以走线，方便缩小整板面积。
 
为了提升效率，三体微在SDHL系列的基础上推出加强版SDHK系列，顶部采用高密度磁粉。SDHL系列的顶部采用的是UV胶，换成高密度磁粉对整体的效率以及降低干扰都提升非常明显。第三方主控平台的数据显示，与SDHL系列对比，在大部分轻载的应用场景下，效率可以提升10%。效率的提升也意味着续航能力也能得到明显的提高，特别是待机低功耗的场景时。

 
 
三体微在电感工艺上不断突破，在SDHL系列推出之前，只有日本太诱一家国际厂商可以生产类似全磁屏蔽精密绕线电感，三体微突破了国内市场的空白，并且获得多家客户的认可。至今一年半的时间里，三体微产品已量产的终端平台有高通、络达、恒玄、物奇、瑞昱、炬芯、蓝讯、杰里、Nodic、紫光、泰凌微等，终端品牌有HARMAN、JBL、MoMA、小米、红米、REALME、ONEPLUS、安克、荣耀、FIIL、魅族、HAYLOU、NOKIA、PHILIPS、TCL、QCY、爱奇艺、喜马拉雅、魔声等。
 
目前，三体微已经推出了全球首创高感一体成型电感——SIRB 系列，三体微将独创的SIRB工艺冠名为“水滴”电感。SIRB系列的尺寸为1608，其优势体现在高感值上。1608一体成型电感当中，业内的电感厂商最高只能做到4.7uH，得益于工艺上的创新，SIRB系列可以实现22uH的高感值。如今，客户可以选择4.7uH、10uH，甚至是15uH、22uH的产品，SIRB系列的推出给电感市场的选型带来洗牌。
 
“为什么电感需要高感值呢？对于开关电源，选择什么样的感值可以提升效率，有一个理论的计算公式，对Buck电路来说，L=Vo/(Io*Iripple*Freq)*(1-Vo/Vin)，对于TWS耳机来说，绝大部分应用场景是佩戴着待机状态，Io即负载电流很小，提高电感感值的选取，对轻载时的效率帮助非常大”赵文庆表示。

 
除了1608尺寸的SIRB系列，三体微还在研发更小尺寸的1006全磁屏蔽和半磁屏蔽电感，预计在今年年底明年年初进入送样阶段。据了解，在1006小尺寸方面，当下还是以日系厂商为主，国内厂商还未推出全磁屏蔽电感。若是三体微该产品的推出，或将打破国际厂商的垄断。