高效的耳塞充电就是保持头脑冷静

真正的无线耳塞通常使用三个（或更多）引脚与其充电盒连接，以进行数据和电源传输。额外的引脚需要更多的空间，同时也会引起可靠性问题。此外，耳塞式电池充电期间通常使用固定电压，这种方法可能会导致不必要的发热。在本设计解决方案中，我们更详细地研究了这些方法的缺点，然后介绍了一种使用两个IC来解决这些问题的复合方法。

介绍

在一些东方文化中，大耳朵象征着好运和财富。唉，不是每个人都天生幸运或富有，同样，耳朵有各种形状和大小。虽然真无线耳塞的制造商可能会被指责为口是心非，希望每个人都有幸拥有大耳朵，但他们面临着无情的挑战，即使他们的产品足够舒适，适合所有耳朵大小的人佩戴。

尺寸限制并不是他们面临的唯一挑战。真正的无线耳塞，就其本质而言，必须是可充电的。但是，如果充电效率不高，耳塞会迅速加热到高温，从而限制充电速度并使佩戴者感到不舒服。在此设计解决方案中，我们将讨论如何管理无线耳塞中的电池充电，以及在这些微型外壳内最小化这种占用空间的挑战。我们建议使用一种节省空间的方法，即使用采用创新方法来管理耳塞与其充电盒之间的电源和数据传输的 IC。最后，我们提出了一种DC-DC转换器IC，该IC能够自适应地优化电池充电条件，从而最大限度地减少以热量形式浪费的功率，有助于减少充电时间。

耳塞充电接口

真无线耳塞中的电池在充电盒中更换时开始充电。这种布置的简化框图如图2所示。

图2.耳塞和充电盒的简化框图。

耳塞制造商通常使用 3 针（或更多）接口来管理电池充电过程。两个引脚用于电荷传输，而其他引脚在充电盒和耳塞之间提供通信（或数据）通道。该通道用于跟踪充电盒和耳塞中的电池状态，这意味着用户和系统都会持续了解充电过程的状态。此通信接口还可用于设备固件更新和/或出厂调试。某些耳塞型号使用专用 （pogo） 别针来检测耳塞何时更换了外壳。虽然一些制造商使用霍尔效应传感器来避免使用专用的弹簧针，但这需要在充电盒中安装额外的组件。

无论出于何种目的，在微型耳塞上容纳额外的引脚都会给制造商带来挑战，不仅在空间方面，而且在可靠性方面，因为每个引脚都会在制造过程中引入潜在的故障点。在理想情况下，只需使用两个引脚将耳塞连接到其充电盒。一种方法是使用两个引脚进行电源传输，并使用单独的蓝牙通道与充电盒进行数据通信。然而，这并不理想，因为它需要在充电盒中放置一个额外的蓝牙收发器，从而消耗更多的空间和功率。®

结合数据和电力传输

耳塞与其充电盒通信的一种更有效方法是将数据和功率传输组合到单个通道中，从而有效地将数据信号叠加到电源上。这被称为“电力线通信”（类似于电源插座可用于扩展有线网络通信的方式）。MAX20340通过提供双向直流电力线通信接口实现了该技术的新颖变体，适用于空间受限的便携式消费类设备。通过这种方法，引脚数量可以减少到两个，这是理想的解决方案。图3所示为MAX20340直流电力线通信管理IC如何集成到耳塞及其充电盒中以提供此功能，允许以高达166.7kbps的速率进行双向数据传输。主 IC 位于充电盒中，每个耳塞内都有可寻址的从 IC。

图3.使用MAX20340在耳塞和充电盒之间进行数据和电源传输。

接口仅使用两个引脚，可减少故障点数量，从而提高可靠性。MAX20340还有其他几个优点。它的最大充电电流为 1.2A，可实现更快的电池充电。它还具有自动从属检测功能，这意味着充电盒不需要霍尔效应传感器或专用的弹簧针即可识别耳塞已对接。它包括高ESD保护，无需额外的TVS二极管。该 IC 采用 9 焊球、0.4mm 间距、1.358mm x 1.358mm 晶圆级封装 （WLP）。

减少发热

为防止发热，需要尽可能高效地为耳塞电池充电。对这一过程的分析揭示了一个可能被忽视的功率损耗来源。充电盒中的锂离子电池（通常为3.7V）通常使用DC-DC转换器IC升压至5V。然后，耳塞中的线性充电器使用该电压进行电池充电。但是，即使耳塞电池电压在充电过程中上升，它始终低于 5V。这种过电压导致功率以热量的形式浪费。为防止这种情况，随着充电过程中电池电压的上升，线性充电器（由升压转换器提供）的输入与电池电压之间的电压差应持续最小化。

降压-升压转换器可以使用一种称为动态电压调节（或DVS）的技术来管理这种情况，如图4所示。

图4.MAX20343降压-升压型DC-DC转换器，带DVS。

图5所示为MAX20343如何与MAX20340配合使用以降低散热。MAX20340间歇性查询耳塞电池电压，并将此信息提供给外壳侧微控制器。然后，微型调节MAX20343的输出电压，使其与耳塞电池电压加上线性充电器所需的额外开销相匹配。这样做的好处是最大限度地减少外壳侧电池的能量浪费，并减少耳塞中的散热。这种散热的减少意味着耳塞也可以以更快的速度充电。MAX20343采用16焊球、1.77mm x 2.01mm、0.4mm间距WLP或12引脚、2.50mm x 2.50mm、0.5mm间距FC2QFN封装。

图5.使用MAX20340和MAX20343进行充电。

总结

真无线耳塞是微型设备，存在许多设计挑战。我们已经证明，除了功率传输介质之外，真无线系统还需要一种在耳塞和充电盒之间双向传输数据的方法。许多型号使用额外的引脚来提供此数据通道，同时还使用专用的弹簧针来让充电盒识别耳塞已对接。但是，额外的引脚会占用有限的空间，并表示额外的故障点。这可能会在制造过程中产生可靠性问题。我们还解释了耳塞充电时如何以热量的形式浪费能量。然后，我们展示了两种克服这些问题的IC。MAX20340将电源和数据传输集成到一个通道中，这意味着耳塞只需两个引脚即可与充电盒连接。MAX20343通过提高电池充电过程的效率来节省能源并减少发热。这些IC组合或单独使用，也是助听器、游戏耳机、手持收音机和销售点设备中类似应用的理想选择。

审核编辑：郭婷