真正的無線耳塞通常使用三個（或更多）引腳與其充電盒連接，以進行數據和電源傳輸。額外的引腳需要更多的空間，同時也會引起可靠性問題。此外，耳塞式電池充電期間通常使用固定電壓，這種方法可能會導致不必要的發熱。在本設計解決方案中，我們更詳細地研究了這些方法的缺點，然后介紹了一種使用兩個IC來解決這些問題的復合方法。

介紹

在一些東方文化中，大耳朵象征著好運和財富。唉，不是每個人都天生幸運或富有，同樣，耳朵有各種形狀和大小。雖然真無線耳塞的制造商可能會被指責為口是心非，希望每個人都有幸擁有大耳朵，但他們面臨著無情的挑戰，即使他們的產品足夠舒適，適合所有耳朵大小的人佩戴。

尺寸限制并不是他們面臨的唯一挑戰。真正的無線耳塞，就其本質而言，必須是可充電的。但是，如果充電效率不高，耳塞會迅速加熱到高溫，從而限制充電速度并使佩戴者感到不舒服。在此設計解決方案中，我們將討論如何管理無線耳塞中的電池充電，以及在這些微型外殼內最小化這種占用空間的挑戰。我們建議使用一種節省空間的方法，即使用采用創新方法來管理耳塞與其充電盒之間的電源和數據傳輸的 IC。最后，我們提出了一種DC-DC轉換器IC，該IC能夠自適應地優化電池充電條件，從而最大限度地減少以熱量形式浪費的功率，有助于減少充電時間。

耳塞充電接口

真無線耳塞中的電池在充電盒中更換時開始充電。這種布置的簡化框圖如圖2所示。

圖2.耳塞和充電盒的簡化框圖。

耳塞制造商通常使用 3 針（或更多）接口來管理電池充電過程。兩個引腳用于電荷傳輸，而其他引腳在充電盒和耳塞之間提供通信（或數據）通道。該通道用于跟蹤充電盒和耳塞中的電池狀態，這意味著用戶和系統都會持續了解充電過程的狀態。此通信接口還可用于設備固件更新和/或出廠調試。某些耳塞型號使用專用 （pogo） 別針來檢測耳塞何時更換了外殼。雖然一些制造商使用霍爾效應傳感器來避免使用專用的彈簧針，但這需要在充電盒中安裝額外的組件。

無論出于何種目的，在微型耳塞上容納額外的引腳都會給制造商帶來挑戰，不僅在空間方面，而且在可靠性方面，因為每個引腳都會在制造過程中引入潛在的故障點。在理想情況下，只需使用兩個引腳將耳塞連接到其充電盒。一種方法是使用兩個引腳進行電源傳輸，并使用單獨的藍牙通道與充電盒進行數據通信。然而，這并不理想，因為它需要在充電盒中放置一個額外的藍牙收發器，從而消耗更多的空間和功率。?

結合數據和電力傳輸

耳塞與其充電盒通信的一種更有效方法是將數據和功率傳輸組合到單個通道中，從而有效地將數據信號疊加到電源上。這被稱為“電力線通信”（類似于電源插座可用于擴展有線網絡通信的方式）。MAX20340通過提供雙向直流電力線通信接口實現了該技術的新穎變體，適用于空間受限的便攜式消費類設備。通過這種方法，引腳數量可以減少到兩個，這是理想的解決方案。圖3所示為MAX20340直流電力線通信管理IC如何集成到耳塞及其充電盒中以提供此功能，允許以高達166.7kbps的速率進行雙向數據傳輸。主 IC 位于充電盒中，每個耳塞內都有可尋址的從 IC。

圖3.使用MAX20340在耳塞和充電盒之間進行數據和電源傳輸。

接口僅使用兩個引腳，可減少故障點數量，從而提高可靠性。MAX20340還有其他幾個優點。它的最大充電電流為 1.2A，可實現更快的電池充電。它還具有自動從屬檢測功能，這意味著充電盒不需要霍爾效應傳感器或專用的彈簧針即可識別耳塞已對接。它包括高ESD保護，無需額外的TVS二極管。該 IC 采用 9 焊球、0.4mm 間距、1.358mm x 1.358mm 晶圓級封裝 （WLP）。

減少發熱

為防止發熱，需要盡可能高效地為耳塞電池充電。對這一過程的分析揭示了一個可能被忽視的功率損耗來源。充電盒中的鋰離子電池（通常為3.7V）通常使用DC-DC轉換器IC升壓至5V。然后，耳塞中的線性充電器使用該電壓進行電池充電。但是，即使耳塞電池電壓在充電過程中上升，它始終低于 5V。這種過電壓導致功率以熱量的形式浪費。為防止這種情況，隨著充電過程中電池電壓的上升，線性充電器（由升壓轉換器提供）的輸入與電池電壓之間的電壓差應持續最小化。

降壓-升壓轉換器可以使用一種稱為動態電壓調節（或DVS）的技術來管理這種情況，如圖4所示。

圖4.MAX20343降壓-升壓型DC-DC轉換器，帶DVS。

圖5所示為MAX20343如何與MAX20340配合使用以降低散熱。MAX20340間歇性查詢耳塞電池電壓，并將此信息提供給外殼側微控制器。然后，微型調節MAX20343的輸出電壓，使其與耳塞電池電壓加上線性充電器所需的額外開銷相匹配。這樣做的好處是最大限度地減少外殼側電池的能量浪費，并減少耳塞中的散熱。這種散熱的減少意味著耳塞也可以以更快的速度充電。MAX20343采用16焊球、1.77mm x 2.01mm、0.4mm間距WLP或12引腳、2.50mm x 2.50mm、0.5mm間距FC2QFN封裝。

圖5.使用MAX20340和MAX20343進行充電。

總結

真無線耳塞是微型設備，存在許多設計挑戰。我們已經證明，除了功率傳輸介質之外，真無線系統還需要一種在耳塞和充電盒之間雙向傳輸數據的方法。許多型號使用額外的引腳來提供此數據通道，同時還使用專用的彈簧針來讓充電盒識別耳塞已對接。但是，額外的引腳會占用有限的空間，并表示額外的故障點。這可能會在制造過程中產生可靠性問題。我們還解釋了耳塞充電時如何以熱量的形式浪費能量。然后，我們展示了兩種克服這些問題的IC。MAX20340將電源和數據傳輸集成到一個通道中，這意味著耳塞只需兩個引腳即可與充電盒連接。MAX20343通過提高電池充電過程的效率來節省能源并減少發熱。這些IC組合或單獨使用，也是助聽器、游戲耳機、手持收音機和銷售點設備中類似應用的理想選擇。

審核編輯：郭婷