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        提升TWS耳機續航,需要什么樣的“充電樁”?

        發布時間:2022-4-29 11:11    發布者:eechina
        關鍵詞: TWS , 耳機
        來源:AVNET

        根據IDC發布的最新數據,2020年全球可穿戴設備的出貨量預計可達到3.96億臺,與2019年相比增長14.5%。如果從可穿戴細分市場來看,可聽式穿戴設備(Hearables)占到了總出貨量的近六成,表現十分搶眼。


        圖1:全球看穿戴市場出貨量分析(資料來源:IDC)

        可聽式穿戴設備之所以能夠達到如此大的規模,背后的一個最重要的推手就是TWS真無線耳機的崛起。自從2016年蘋果推出AirPods以來,在很短的時間內就取得了巨大的市場成功——如今在每天上下班通勤途中,總是能夠看到擦肩而過行人耳邊露出的白色“小蝌蚪”,AirPods的市場滲透率由此可見一斑。

        這也引發了其他友商的入局和跟進,最終成就了TWS市場整體的繁榮。根據IDC早前的市場分析,TWS耳機在過去幾年中一直保持著100%的增長率,2019年的出貨量達到了1.2億臺,而2020年底有望突破2億臺。


        圖2:全球TWS耳機市場走勢及各廠商市場占有率(資料來源:IDC)

        不過從分析數據中我們能夠很明顯看到,盡管受到“群狼”的圍攻,蘋果仍以超過40%的市占率穩坐TWS市場的頭把交椅。這與其先入為主的市場策略有關,但另一方面,從綜合的產品性能來看,能夠與AirPods掰手腕的TWS產品確屬鳳毛菱角。很多廠商,包括一些以前在藍牙耳機領域頗有建樹的品牌,在第一代TWS產品上都踩過坑,可見TWS的技術門檻還是不容小覷的。有AirPods這樣的行業標桿在前,后來者的壓力自然不小。

        從最終用戶的角度來看,消費者的胃口也被越吊越高,對TWS產品的要求也原來也多——TWS的音質不能太“白開水”;延時也要盡可能短,不能耽誤“吃雞”;降噪方面不管是被動式還是主動式,總之要有所作為……當然,還有一個最為關鍵的指標,那就是TWS的續航要盡可能長,越長越好!

        說實話,在一個僅幾克重的耳機里,要擠下主控藍牙芯片、音頻解碼器、揚聲器、麥克風,以及存儲器、傳感器等元器件,難度已然不小,想要安放一個容量大一些的電池就更難了,這也使得TWS耳機在續航表現方面通常敵不過傳統的藍牙耳機。不過為此,AirPods已經給出了一個合理的解決方案,那就是利用一個耳機收納充電倉,在不使用耳機的時候隨時為其充電,每次拿出耳機時都確保其能量滿滿,也使得耳機的累計續航時間大大增加——經由充電倉補充電能,初代的TWS的總續航能力都在10-20小時,而目前最新款的TWS都提升到了25-30小時。

        與空間狹小局促的耳機相比,人們可能會認為TWS充電倉的設計會輕松不少,而實際上其中的挑戰也不簡單,其中最突出的挑戰來自兩個方面:

        · 更小的體積:作為一個便攜設備,TWS的充電倉體積同樣會受到約束,而且從目前的趨勢來看,充電倉中還會不斷增添新的功能——如無線充電——因此其在空間利用率上也是需要錙銖必較的。
        · 更高的效率:效率不高,可能會在充電過程中導致耳機發熱,進而影響充電速度,同時也會造成更多能量的損耗,影響總的續航時間。
        解決上述問題,就需要經過專門優化的產品提供助力。好消息是,我們已經能夠在市場上看到針對性的產品和解決方案。

        比如在簡化耳機充電電路,壓縮系統空間方面,Maxim Integrated前不見就提出了一種新穎的解決方案。

        傳統的TWS充電過程中,需要使用3個或更多的引腳,其中兩個引腳用于充電,其他引腳用來在充電盒和耳機之間建立通信(或數據)通道,一方面跟蹤耳機電池的充電狀態以便對充電過程進行調控,另一方面實現設備固件升級和/或用于工廠調試,在一些方案中還使用專用的(pogo)引腳檢測耳機是否被放入充電盒。但更多的引腳,也就意味著電路布線的復雜性會增加,而且會在可靠性上引入額外的風險。


        圖3:典型的充電倉為耳機充電電路,需要使用至少3個引腳(圖源:Maxim)

        對此,Maxim Integrated提出了一種“電力線通信”解決方案——MAX20340直流電力線通信管理IC,它將數據和電源傳輸組合到單個通道,將數據信號疊加到電源上,這樣一來僅使用2個引腳就可以同時實現電力傳輸(最大充電電流為1.2A)和雙向通信(速率高達166.7kbp),整個充電系統也相應地得以簡化。


        圖4:MAX20340僅需要兩個引腳即可實現耳機和充電盒之間的數據和電源傳輸(圖源:Maxim)

        在提升充電倉為耳機充電的效率方面,Maxim Integrated同樣也提出了一個獨特的解決方案。

        典型的充電方案中,充電倉中的鋰離子電池會以5V的電壓向TWS耳機充電,即使耳機電池電壓隨著充電過程逐漸升高,充電倉輸出的電壓——也就是耳機線性充電器的輸入電壓——始終會保持在5V,而這樣的高電壓會導致更多的功率以熱量耗散掉,影響整體的效率。

        Maxim Integraetd在新推出的MAX20343升/降壓轉換器中,采用動態電壓調節(DVS)技術解決了這一問題——在充電過程中,由升壓轉換器提供的充電倉輸出的電壓(耳機線性充電器的輸入電壓)與電池電壓之間的電壓差,隨著電池電壓升高而改變,從而減小能量損耗,提高效率。


        圖5:MAX20343升/降壓轉換器采用DVS)的技術提升充電效率(圖源:Maxim)

        上述的MAX20340與MAX20343配合使用,就構成了一個以小型化、高效率為特點的TWS充電倉解決方案:MAX20340間歇地查詢耳機電池電壓,并將該信息提供給充電倉中的微控制器;微控制器調節MAX20343的輸出電壓,使其與耳機電池電壓加上線性充電器所需的附加裕量相匹配,這樣能夠最大程度降低充電倉中電池的能源浪費,也可避免耳機充電時溫度過熱,以實現更快的充電速率。


        圖6:MAX20340與MAX20343配合實現的TWS充電倉解決方案(圖源:Maxim)

        物聯網時代的其他電池供電、無線連接的產品一樣,TWS也面臨著嚴峻的電源管理的挑戰。就像電動汽車行使過程中需要一個個“充電樁”為其補充能量、延伸航程一樣,TWS的充電倉也成為了提升耳機續航的關鍵一環。幸運的是,創新的技術正在讓TWS的續航體驗不斷提升,這也會進一步推動整個TWS市場持續的發展,同時為其他更多新概念的Hearables產品的誕生創造條件。
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