摘要

本文將介紹模擬真無(wú)線(xiàn)立體聲(TWS)耳機應用電源架構的參考設計。它能將應用的快速充電速度提高近4倍，同時(shí)優(yōu)化解決方案尺寸和系統BOM成本。使用熱敏電阻和熱成像測量得出的測試結果顯示，與傳統解決方案相比溫度更低。該設計展示了采用單電感、多輸出(SIMO)架構且具有自動(dòng)裕量跟蹤功能的解決方案所提供的眾多優(yōu)勢。

引言

隨著(zhù)可穿戴設備革新的持續推進(jìn)，對穩健電源架構的需求不斷增加。在過(guò)去十年中，我們看到可穿戴健康監測設備大幅增長(cháng)，這些設備的下一代可能會(huì )在相同的小尺寸解決方案中集成更多功能�？纱┐髟O備通常要求支持Wi-Fi、藍牙®并具備生命體征監測(VSM)功能。對更多功能的需求，要求系統級和IC級設計人員更明智地選擇可穿戴設備電源架構。

無(wú)線(xiàn)耳機的電源挑戰

真無(wú)線(xiàn)立體聲耳機應用目前需要將多個(gè)獨立的穩壓器放到一個(gè)小尺寸解決方案中——畢竟，整個(gè)系統需要放入我們的口袋中！

TWS耳機應用的典型電源系統如圖1a所示。充電座和耳機之間的DC-DC轉換器用于將電壓從VSYS提升至5 V USB電平。這樣可以為耳機的線(xiàn)性充電器提供足夠的裕量，避免出現電壓下降的情況。然而，該解決方案有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是由于耳機線(xiàn)性充電FET上的壓差和損耗，效率損失很大。當耳機電池電量較低時(shí)，尤其明顯。低效率充電會(huì )增加發(fā)熱量，導致系統電池壽命縮短和產(chǎn)品可靠性降低。

在某些情況下（圖1b），增加電力線(xiàn)通信(PLC)，并借助充電座側的降壓-升壓調節器跟蹤線(xiàn)性充電器的裕量，可以提高系統效率。

然而，可穿戴產(chǎn)品的解決方案尺寸非常寶貴。為可穿戴設備的外設供電的降壓輸出所需的PLC芯片和電感，會(huì )直接影響這兩種傳統解決方案的產(chǎn)品尺寸和成本。

更好的解決方案：SIMO架構和自動(dòng)裕量跟蹤

SIMO電源管理IC (PMIC)提供了滿(mǎn)足緊湊設計要求所需的架構和效率。電池供電的可穿戴應用還能受益于一種稱(chēng)為自動(dòng)裕量跟蹤的技術(shù)，它可以充分減少電池充電電路上的壓降，同時(shí)提供優(yōu)化裕量來(lái)調節充電電流。這就減少了充電電路中的功率損耗和發(fā)熱量，而無(wú)需額外的元器件，可穿戴設備在充電時(shí)可以保持較低溫度，甚至可以更快速地充電。

圖1a.TWS耳機應用的典型電源架構圖

圖1b.帶PLC的TWS耳機應用的典型電源架構圖

MAX77659是一款SIMO PMIC，旨在提高可穿戴消費和醫療設備的效率，并縮減系統板上空間和BOM尺寸。該PMIC具有三個(gè)使用同一電感的降壓-升壓輸出，效率高達90%。它還包含一個(gè)額外的低壓差(LDO)穩壓器，適用于需要高電源電壓抑制比(PSRR)的敏感應用，例如VSM。此外，SIMO架構在效率方面具有內在優(yōu)勢，并且其靜態(tài)電流非常低，解決方案尺寸極小。

圖2.針對典型鋰離子電池充電周期的自動(dòng)裕量跟蹤

圖3.參考設計框圖，比較了TWS耳機的建議解決方案和傳統解決方案

MAX77659的自動(dòng)裕量跟蹤功能使用SIMO輸出之一來(lái)充分減少電池充電晶體管上的壓降，同時(shí)提供優(yōu)化裕量來(lái)調節充電電流。其結果是晶體管上的功率損耗和發(fā)熱量減少，所有這些都不需要額外的元器件。圖2顯示了對整個(gè)快速充電過(guò)程中的自動(dòng)裕量跟蹤。

MAX77659參考設計

圖3所示的參考設計將MAX77659 SIMO PMIC解決方案與典型的線(xiàn)性充電解決方案進(jìn)行了比較。MAX77659 SIMO PMIC具有自動(dòng)裕量跟蹤功能，因此可以省去傳統解決方案（圖3，充電座B）中使用的降壓-升壓穩壓器（圖3，充電座A）。它提高了充電效率，延長(cháng)了整個(gè)系統的電池壽命，并且減小了解決方案尺寸，降低了BOM成本。

圖4.MAXREFDES1323參考設計板

圖4顯示了MAX77659參考設計的完整PCB。該設計包括兩對充電座/耳機解決方案，其中一對采用MAX77659 SIMO PMIC設計（充電座/耳機A），另一對采用典型的線(xiàn)性充電器設計（充電座/耳機B），使用MAX77734線(xiàn)性充電器�；�板上的按鈕可切換A和B分支的充電，OLED顯示屏顯示耳機的MAX17260電量計測得的充電電流和溫度。屏幕還顯示充電器狀態(tài)，以及充電器何時(shí)因過(guò)熱必須降低充電電流。

電池管理系統充電標準

日本電子和信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì )(JEITA)發(fā)布了與電池管理系統相關(guān)的標準，這些標準提供了嚴格而穩健的方法，通過(guò)減少系統和電池磨損來(lái)提高系統安全性和可靠性，為最終用戶(hù)提供保障。終端應用通常利用集成的JEITA保護功能，在電池充電的恒流(CC)和恒壓(CV)階段降低充電電流和電壓水平。如果系統變得太熱，可以降低充電電流和電壓，以使電路降溫。對電流的這種限制可以保護最終用戶(hù)，使其不會(huì )感到不適，并保持系統的可靠性和使用壽命。遺憾的是，限制充電電流也意味著(zhù)充電周期變慢。集成JEITA功能的需求代表了一種設計權衡，這給可穿戴設備設計帶來(lái)了壓力。長(cháng)時(shí)間接受高充電電流也能保持較好熱性能的解決方案可以緩解這種壓力。

性能比較

為了檢驗傳統解決方案和建議解決方案的熱性能，我們在270 mA CHG_CC（正常CC電流）和75 mA JEITA_CC（高于JEITA_WARM溫度閾值的CC電流）下進(jìn)行了1分鐘充電測試。目標是顯示這段時(shí)間內的熱差異，并檢查兩種解決方案是否可以在不觸發(fā)JEITA保護的情況下保持較高充電速度。為了提供可重復性，并將溫升限制為僅IC所經(jīng)歷的溫升，我們使用了電池仿真器。該測試使用的熱閾值為45°C，比環(huán)境溫度高21°C。參考設計的PCB是6層板，銅厚度分別為0.0014英寸、0.0007英寸、0.0007英寸、0.0007英寸、0.0007英寸和0.0014英寸。測試條件如表1所示，結果如表2所示。

表1.JEITA充電測試條件

表2.JEITA充電測試結果

在測試過(guò)程中，MAX77659 SIMO解決方案在1分鐘內升溫11.1°C，并且在前30秒后其升溫速度明顯減慢。所提出的解決方案在測試過(guò)程中的任何時(shí)候都沒(méi)有進(jìn)入JEITA模式。采用典型線(xiàn)性充電解決方案時(shí)，器件在短短15秒內升溫近20°C，并觸發(fā)JEITA保護，在僅30秒內就限制了充電電流。

熱成像結果

此外，為了在未啟用JEITA保護的情況下檢查熱行為，我們進(jìn)行了單獨的測試，并使用熱像儀來(lái)測量SIMO PMIC解決方案和線(xiàn)性充電器解決方案的溫度。參數與第一次測試相同，只不過(guò)禁用了JEITA保護。

圖5.并排充電器解決方案的熱成像

在2分鐘的測試過(guò)程中，線(xiàn)性解決方案的溫度升至58.1°C，而SIMO PMIC僅升至37.5°C�；�于這些結果可知，與線(xiàn)性充電解決方案相比，SIMO解決方案能夠將溫升降低約72%。

結論

本文在模擬TWS耳塞應用中，將MAX77659 SIMO PMIC與傳統線(xiàn)性充電解決方案進(jìn)行了比較，展示了自動(dòng)裕量跟蹤和開(kāi)關(guān)充電器解決方案的優(yōu)勢。結果表明，SIMO PMIC解決方案在熱方面實(shí)現了巨大改進(jìn)（熱量減少72%），能夠安全地維持幾乎是傳統線(xiàn)性充電解決方案4倍的充電電流。這有助于系統快速充電，同時(shí)保持低溫和舒適性，從而解決可穿戴設備的關(guān)鍵難點(diǎn)。

MAX77659 SIMO PMIC為下一代可穿戴設備提供安全、可靠、舒適的充電解決方案，同時(shí)提高了效率，減少了必要的解決方案尺寸和系統BOM數量。如需了解更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)ADI公司全面的SIMO PMIC和電量計平臺，查看適用于下一代可穿戴設備的出色低功耗解決方案。