电源集成：智能真无线耳机设计中的通信接口

真无线耳机（TWS 耳机）由于电池寿命更长、功能更强大、设计更吸引人以及价格更优惠，因此继续变得更具吸引力。随着耳机制造商专注于小型化和设计改进，并迅速采用功能来增强用户体验，他们能够在强大且竞争激烈的市场中吸引苛刻的消费者。

看看这些新的入耳式系统，乍一看，它们看起来像是相当简单的设备。相反，TWS 系统需要大量电子设备才能变得智能和用户友好，如图 1 中的系统概述所示。

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图 1：系统概览（ AG）

在日常使用中考虑 TWS 耳机时，有多种方法可以增强用户体验和轻松的用户界面集成。TWS 系统设计人员面临的一个关键问题是播放时间，因为 TWS 耳机的电池空间尤其有限。可以达到 25-80mA/h 的典型电池容量，这导致播放时间为 2-4 小时。电池电量耗尽后，耳塞需要重新充电才能准备好下次使用。

目前，的 TWS 耳机随附一个用于为电池充电的充电座，而不是将电线连接到每个耳机。通讯座包括一个更大的电池，并充当方便的隔间——因为它很容易丢失小耳机。这允许用户在旅途中为耳塞充电，而无需依赖电源插座。这种支架/耳塞配置的目的是保证始终充满电池。这避免了在锻炼开始时意识到您的耳塞因为电池没电而无法使用而感到沮丧！增强用户体验的另一个方面是耳塞的自动启动和配对。当耳塞已插入耳朵时，用户不想等待设备配对或启动。

为使标准 TWS 耳机智能且用户友好，关键要求是充电座和耳塞之间的数据交换。

如果通讯座感应到耳塞的电池状态，它会自动开始为耳塞充电。由于始终开启的微控制器单元 (MCU) 会产生静态电流消耗，因此需要进行持续充电过程，如图 2 所示。相反，如果耳塞感应到充电座为空，它可以通过以下方式自动通知用户为通讯座的电池充电的蓝牙通知。

在自动启动和配对方面，智能连接也将是有益的。如果支架通知耳机隔间盖已打开，则耳塞会从睡眠模式中唤醒并准备 BT 配对过程，而无需按下耳塞上的按钮即可启用它们。

除了增强用户体验外，底座和耳塞之间的链接还可以实现更好的工业设计、软件更新、耳塞个性化（名称、EQ 数据）以及将音乐数据传输到耳塞，这只是一些应用示例市场上功能丰富且差异化的产品。

为了更清楚地了解技术实现，让我们深入挖掘并更详细地了解系统，如图 2 所示。

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图 2：详细框图（ AG）

在通讯座方面，重要的当然是锂离子电池和随附的充电器，可借助连接到 USB 插座的标准 5V 电源为其电池充电。电源管理模块——如 LDO 和 DCDC 转换器——将所需的电源电压分配给 MCU 和放置在底座中的其他设备。必须使用专用的 5V 电源为耳塞电池充电。永远在线的 MCU 充当通讯座的中央控制单元，通常连接到其他几个传感器（盖子检测、耳塞检测）以及充电器以接收通讯座电池状态更新。

在触发事件（例如打开盖子、插入耳机或耳机发送请求）后，它会交换所需信息或向耳塞发送命令/数据。

在耳塞端，拓扑结构基本非常相似，但当然还需要蓝牙 SOC。耳塞中的 MCU 直接与底座侧的 MCU 通信，来回交换信息。

传感器方面，可能还有其他设备，例如用于耳塞检测的接近传感器、加速器传感器、用于健身设备的心率传感器、温度传感器和触摸传感器。

如图 2 所示，需要多个引脚才能实现充电座和耳机的智能功能。这一事实伴随着几个缺点：为了达到较高的客户接受度，TWS 解决方案不能比其有线竞争对手大得多。因此，在耳塞上放置额外的杆子总是会导致空间和功能之间的折衷。此外，如果需要在听筒上放置多个杆，也会对设计和外观产生负面影响。当然，一种选择是实施 BLE（蓝牙低功耗连接）链接，但这会显着影响物料清单成本并增加软件实施工作量。

更优雅的折衷方案是增强用于为耳塞充电（GND 和 5V）的标准和强制性两极的功能。如果将两线连接的功能扩展到允许充电并同时与耳机进行并行通信，则可以实现所有智能和用户友好的功能，而不会在物理空间或设计预期方面造成不利影响。由此产生的用户体验可以通过专用应用程序进一步改善，这得益于耳塞现在能够向任何智能设备提供的信息负载。下面的列表中显示了一些示例。

• 剩余电池状态

• 电池状态权

• 通讯座电池状态

• 配对状态

• 左右耳塞的名称或是否匹配

• 温度

• 检查充电座的软件更新

• 关于通讯座电池电量耗尽的通知信息（尤其是更换过的电池）

为了合并上面列出的功能，需要对图 2 进行一些修改，但这会使系统稍微复杂一些。我们需要找到一种利用 5 伏电源信号线的方法，以便能够通过单根电线传输电力和数据。

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图 3：通过 5V 电源线进行数据通信的提案（ AG）

图 3 显示了一个可能的简化时序图，其中显示了 5V 电源信号线，数据直接调制到信号线。主机端提供 5V 电源以传输到客户端为电池充电，客户端可能会调制可传输到主机端的数据。在理想情况下，还可以实现半双工通信，其中客户端和主机共享单根电源线以交替调制数据，以便能够在底座和耳塞之间交换数据。

为了正确实现这种单线通信原理，需要各种新的系统模块来替换图 2 中所示的两条串行通信接口信号线。在主机端，实现这种调制原理的简单方法是用一个线圈来抑制高频调制内容和一个调制电阻来调制一个电压降到5V电源信号线。除了线圈之外，还有一个数据调制器，可以通过一个简单的电流吸收器来实现。

在设计此类系统时，重要的是要在调制电流和调制电压电平之间找到一个良好的折衷点，以确保系统对外部电磁干扰不敏感。另一方面，使用的调制电流也会影响通信系统的整体功耗。除了调制电流之外，另一个棘手但重要的参数是它的转换率。陡峭的电流斜坡可能会导致电磁辐射，从而导致手机、蓝牙或 FM 收音机的接收问题。有些规定必须得到满足，否则终产品可能无法获得在某些市场销售的许可。此外，调制器也是线路读取器，旨在从客户端设备读取调制数据（图 4 中以蓝色表示），而绿色数据表示主机生成的要发送到客户端的数据。

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图 4：示例半双工调制协议（ AG）

在这个提案中，每个帧被分成 64 个时隙，从主机到客户端传输 30 位数据，反之亦然. 每个帧都以主机生成的同步脉冲开始，这是客户端同步其时钟所必需的——因为主机和客户端不共享相同的时钟，因此客户端需要从数据流和同步脉冲。在帧的另一端，客户端用主机的同步脉冲终止每个帧，以指示两个设备同步。不用说，这个例子需要一些预同步序列，它可以是可能的主机检测电路的一部分。客户端上的这个块是必要的，以确保数据调制仅在主机和客户端都连接时发生。为此，一个可能的解决方案是主机开始发射脉冲以探索客户端是否连接到电源终端。一旦启动同步检测器检测到同步脉冲，它就可以唤醒耳塞内的 MCU 以开始响应同步脉冲，并指示有效客户端的存在，从而开始相互同步。线路读取器和数据调制器实现与主机端相同的目的——从主机读取和传输数据。

线圈L CLIENT 和R MODC 用于阻止高频内容并将数据调制到电源线。此外，电阻器有助于获得更好的信号完整性，但如果系统中有更长的信号线可用，这一点就更重要了。对于短信号走线，不需要传输线和 PCB 的阻抗匹配。在更仔细地观察传输线时，另一个重要的考虑因素是直流电阻。为了减少 TWS 耳塞的充电时间，重要的是保持低直流电阻，以避免由于充电器输入端的输入电压低而可能导致充电器电流降低的大压降。特别是小尺寸线圈通常会提供高电阻，这与我们将电阻保持在水平的目标背道而驰，

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图 5：两线电源和通信框图（ AG）

当然，TWS 系统的所有功能和外形因素都处于发展初期。然而，由于强大且快速增长的竞争市场以及不断尝试突破物理设计极限的苛刻客户，它将很快达到顶峰。小型化与延长电池寿命相结合是确保 TWS 系统能够在每个人的生活中找到用武之地的关键——也许甚至不会被注意到。这些关键要求导致了建议的实施结构的普遍问题，如图 5所示. 为所述通信接口（线路读取器、时钟提取单元、数据调制器、启动同步检测器）所需模块的系统集成当然不是一件容易的事。考虑到小型耳塞内部现有的尺寸限制，在终外形中使用分立元件的可能性极小。此外，系统继承了一些复杂性，因此开发需要对模拟和数字设计有很好的理解和经验。对于许多耳机公司来说，付出的努力足以让他们放弃并坚持添加额外极点的缺点，或者干脆不向他们的系统添加任何智能。

现成的电源：通信 (POW:COM) 解决方案（例如 ams AG 的解决方案）可以显着降低启用智能 TWS 系统的障碍。该解决方案由 AS3442（主机设备，在充电座内）和 AS3447（客户端设备，在耳塞内）组成，并在不增加太多工作量和开发时间的情况下增加了更多功能。与AS3442/47的接口是一个标准的I2C接口，以降低集成工作量，而两个设备之间的通信是一个定制的通信接口，满足前面提到的技术要求。该接口提供 1kBit/s 的净数据传输速率。此数据传输速率包括所有必要的开销以及传输无错误数据（如电池状态、序列号或用户名）的错误处理。数据可以通过简单的 I2C 命令在支架和耳塞之间来回交换。在 AS3447 内部，专用存储空间（“邮箱交换寄存器”）可用于更新电池电压电平寄存器等。如果耳塞式 MCU 更新寄存器中的值，通讯座会自动获得中断并能够读出该值。这样，底座 MCU 始终知道耳塞的电池电压，并可以决定是否需要重新充电。

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图 6：POW:COM 集成示例真无线耳塞（ AG）

当然，如果底座电池没电了，需要通知耳机，程序是一样的，只是方向相反。除了数据交换功能外，该器件还提供多个 GPIO，可用于唤醒或控制外部设备，如 MCU、蓝牙 SoC、外部电池充电器、传感器或 LED。POW:COM 系统的可能集成示例如图 6 所示。很明显，如果使用 POW:COM 系统而不是如前所示的多个离散功能块，系统的复杂性会大大降低。将 AS3442 和 AS3447 集成到 TWS 中，系统设计人员可以轻松实现智能 TWS 系统，同时满足小型化和延长电池寿命的趋势。