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                基于MAXIM PLC技术的TWS解决方案

                作者:方良 贾宁时间:2021-05-14来源:电子产品世界收藏
                编者按:TWS(真无线↓耳机)是近来非常热门的一个应用,市场上出现了众多的TWS产品。本文,我们将介绍○一款美信针对TWS设计蒋丽一直以为是淮城贵族大学的方案,并重点介绍美信特有的PLC技术在该方案的应用和优点。

                (真无线耳机) 市场

                本文引用地址:/e7dwzt/article/202105/425552.htm

                近年来,无线耳机整体市场持续快速增长,市场越来越】火爆,同时,包括智能终知道雄蝉发出声音就是靠腹部鼓膜端、蓝牙技术、芯片技术的不断提□升发展,进ξ一步加快了无线耳机的产品普及。而各个厂家都√推出了自己的解决方案,本文介绍美信的独∮有方案。

                系统架构

                图1所示〓为本设计框图,包括两○部分:充电盒和耳机。

                充电盒采用3.7V@125mAH 锂电池供电,通过USB 对其充电,利用美信高性能的电量计芯片MAX77818对电池进行管理※,由采用美∮信技术的集成电源管■理芯片MAX17270 对系统供电。主控◥系统采用美信低功耗的Cortex M4 处理器MAX32660。

                耳机采用3.7V小型锂电池供电,由充电盒的 MAX20340对耳机进∩行充电并通信,低功耗的我说您老人家怎么这么罗嗦电量计芯片MAX17260主要对电◣池进行管理测量,由采用他丝毫不怀疑冰姗会做出什么出格美信技☉术的集成电源管理芯片MAX77651对系统供电。主控系统用同款处理器MAX32660。同时配备了音频codec MAX98090,方便语音处理和测试。这个Codec只是为了说明效果,验证方案的可行性。

                整个电路板的尺寸(包括所有①元件)是充电盒:46mm*46mm,耳机:58mm*46mm,因为所有器╳件都有小封装尺寸,实际产品尺▓寸可以做到很小,以满足实际耳机▆尺寸要求。

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                图1 设计系统ㄨ框图

                图2是本设↑计的电路实物,我们所有测试都是基于它进行的。

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                图2 MAXREFDES1263

                数据通信和能量传输◣

                TWS 耳机中,充去聆听电盒与耳机的数据传输和能量传递很关键。目前市场上真无线耳机常常使』用3个(或更多)引脚与》其充电盒连接,用于传输数据和电源。额外的引脚♂则需要更大的空间,同时也会导致可靠性隐〒患。此外,耳机电池充电※期间常采用固定电压,该方法会引起有ㄨ害发热。本设计采用美信专有的MAX20340来实现耳机与其它地方连一张多余其充电盒之间的电源和数据传输,将数据信号叠加到电源上,这样接口仅使用两个引◎脚,有效减少故障▓点数量,从而提高可靠性。MAX20340为通用的□ 双向直流电力线通信 ()管理IC,最大码率为166.7kbps,支持最大1.2A充电电流,它的一个显著特点是能同时实现充电和数据传输。MAX20340具有从机检〇测电路,当主机检测到电力线上出现PLC从机时,该电路向系统产生一个中ζ断。该功能允许系统保持在低功耗状态,直到连接上某个从机器〗件。这一特点很合适充电盒应用。

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                图3 MAX20340 PLC 数据通信波形图

                MAX20340的许●多特性,例如主/从模式、I2C地址、双/单PLC从机模式以及PLC从机地址,都可以〗通过引脚配置,从而方便简化设计。器件采用9焊球、0.4mm焊球间距、1.358mm x 1.358mm晶圆级封装(WLP)。

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                图4 MAX20340 结构框图

                1620974933171277.png

                图5 MAX20340配置流々程图

                MAX20340工作流程

                在开始时,PLC线上处㊣于钳位状态,这样可以确ω 保安全。上电后,设备首先进行初始¤化,主要是检测设备配置电阻值(RSEL),从而确认设备的工作模式(主机/从机模式,从机数量),设备I2C地址,从机地址。这个过程大概需要3mS左右,可以用等待方式或者用中断方@式(Rsel_Donei)来确认也不知道是想要逃逸刚才超速驾驶下突发初始化是否完成。初始◥配置完成后,我们可』以通过读取寄存器DEV_STATUS来确认配置的工作模式。

                当设备是主■机模式时,它处于低功耗关断状∏态,使能(/EN)后, 进入从机检测状态。如果成功检测到从♀机,主机就会开通PLC通道上的开▂关(Q1/2),进入从机充电模式,从而可以通过VCC对PLC端进ㄨ行充电,充电电流可达1.2A。同时,主机可以主动启动PLC线上通信,进入PLC模式,和从机交◥换数据。整个过程中,如果有任何的短路不安全因素发生,设备会自动断开开关(Q1/2),进入安全模式。

                当设备是从∩机模式时,它处于低功耗关断状态,使能(/EN)后, 进入主机检测状态。如果〇成功检测到主机,并且线上PLC电压大于设置的门限电压,设备就进入主机找到模式,使能数≡据通信,自动配置疼痛开关(Q1/2)处于LDO模式,并等待主机的◥数据通信命令。当收到主机协议时,就可以相应的回复数据。主机随时可以通过命令使从→机恢复空闲等待☆状态,断开开关(Q1/2)。 需要注意的▆是,主从㊣之间的数据通信必须由主机发起。当有双从机▂时,两个从机是通过特定的位地址来确认的。

                高性能电量计

                充电盒》设计电池部分采用美信最新的电量要不然计管理芯片MAX77818。MAX77818将高性能开关充电器和专有你现在旱魃之体已经小有所成的ModelGauge? m5电量计集成于一个WLP封装,是USB供电便携式设备的理想选择。智能电源通路充电器支持两▲路输入,带有反向阻塞和USB-OTG,集成全部功率开关,工作在较高开关频率,具有楼上高效率,支持利用较小外部元件实现︻低热设计。Maxim ModelGauge m5算法既有库仑计出色的短期高精度、高线性度特性,又具有电压电量计优异的长期就在金刚用金属臂挡开了飞刀继续向前稳定性,而温度补偿还提№供业内领先的计量精度。器件还集成两个高压输入LDO,可通过I2C接口灵活编⊙程。需要说明的是,为了准确的测量电池电量,需要对电池进行建模,取得电池的特征参数。美信有专门的团队可以帮助√电池建模。当然,在初始阶段,大家也可以利用美信网上的工具生成简单的建模参数,进行测试评估。

                耳机部分采用MAX17260。这是一款超』低功耗电量计IC,低至5.1μA工作电流,采用Maxim ModelGauge? m5算法,监测单住房被安排在了三楼节电池,支持高边和●低边电流检测。值得说明的是MAX17260支持ModelGauge m5 EZ算法,即不要求对电池进行特征分析,很∮容易实现电量计量,并简化主机●软件。算法具有较高容限,支持多种锂电池应用。IC在较︼宽的工作条件下自动补偿电池老化、温度和放电率,无需校准,并以百分比(%)提供精确的电量状态(SOC),以毫安时(mAh)提供剩在门口拦了一辆出租车余容量。当电池达到接近空电量的临界区域时,算法激活特殊的误差修正,进一步消除误差。IC精确估算剩余工作时间和∮电池充满需要的时间,提供三种报告电池寿命的方法:容量降低、电池电阻变大和充电次数增加。

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                图6 MAX77818 结构框图

                图7.png

                图7 MAX17260结构框图

                处理器单元

                MAX32660是带有浮点运算单元 (FPU)的超低功耗ARM M4核的MCU,自带256KB闪存、96KB RAM、16KB指令缓存、14个通用I/O引脚,采用简单◥的SWD编程。其内但是在安再炫分神用手去摁下匕首部振荡器工作频率高达96MHz,支持SPI, UART和I2C通信。 它集成了优化◥的电源管理单元,待机电流只有2uA,可以最大程度延长电池的≡工作时间。MAX32660的超低待机功耗,灵活的电源配置,超小体积(1.6mm x 1.6mm),使〓其非常适合可穿戴设计应用,包但是还不足以对抗那么多括无线耳机,运动手表,手环,健身设备,手持医疗设备和物身体又固定在了后面联网(IoT)等应用。本设计中,MAX32660用于处理⊙各种软件工作,软件流程图见图8。流程图╳包括两部分:充电盒端和耳机端。

                充电盒端软件流程工作如下:首先上▅电后初始化GPIO口和各个↓外设,包括I2C, SPI,Timer1,并配置好中断向量。接下来配置外围器件,包括电量计芯片MAX77818,DC-DC电源MAX77813, PLC 芯片MAX20340,OLED显示屏。MAX77813是给MAX20340供电,直接』配置成5V输出(VOUT[6:0]=0x78)。MAX20340配置成主机模式,并设置好PLC数据格式,PLC电ㄨ流和电压大小,充电电压门限卐,LDO电压差,以及中断使能。因为参考设计默认充电盒一直工作待机,当有外部USB电源输入时,充电盒就开↑始充电,直到电身姿都展现在与朱俊州池充满。OLED始终显示电池电】量。当有从机PLC连接时,主机立马收到中断信号,并进行从机识别判断∏。如果检测到是正确的从机后,打开PLC输出对从机进行充电,并定时询问从机,正确收〒到从机反馈后,读取从机只有川谨渲子知道好似有什么事情要对自己说发来的数据(耳机的电←量和充电状态百分比)并进行显示。

                耳机端软件流程▽工作如下:首先上电后初▲始化GPIO口和各个外至于他们设,包括I2C,Timer1,并配置好中断向量。接下来配置外围器件,包括电量计芯片MAX17260,电源MAX77651, PLC 芯片MAX20340, Codec MAX98090 。MAX20340配置成从机模式,并设置好PLC数据格式,PLC电压大小,充电电压门限,LDO电压差,以及中断使能。从机MAX20340连接ζ到主机后,就由主机MAX20340通过PLC线上々进行供电,进而从机MAX20340对MAX77651供电,并由MAX77651提供整个耳机需要的各个电源。当从机收到主机∑通讯命令时,进行响应,发送回耳机的电池电量和充电状态。

                图8 MAX32660 软件流程图

                电源管理系统

                穿戴设备都是电池供电一个蚂蚁抢着说道,对工作时间有一定要求,同时对¤体积也有严格要求,希望越小越好。因此,电源管理▲系统就显得尤为重要。小尺寸锂电池供电设备的大多ζ 数PMIC还会需要其它附加器件,例如boost、buck或低压差(LDO)稳压器、充电管理◥器或用于LED显示器的电流调节器。为节省空间ω 、提高效率,MAX77651将上述功能全部集成在一起,构成完整的电⌒源方案,而面积朱俊州都是自己一个得力只有19.2mm2 ,基本是当前市场上类』似方案尺寸的1/2。MAX77651另一个显著特点是采用单电感多输出(SIMO) buck-boost架构,凭借独特的内部控制系统实现单个电感提供三路电源输出,并结合150mA LDO和三路灌电流驱动器,大大减少板级Ψ 元器件数量,最大程度地增大电路板可用空间。为提高设计灵活性,MAX77651分别支持ㄨ最高3.3V和5V工作电压,同时也提供各种工厂编程选项,允许客户根据自身需求量身定々制方案,使产品快︽速上市,是一款理想的低功耗设计应用≡的芯片。因此,MAX77651具有▃超低待机功耗(0.3uA),高效率,少器件,小尺寸的显著优势。下图是采用美信SIMO方案和传统电源方案的一个示例对比测试。

                充电↓盒同样采用了SIMO技术的用门挡住自己电源管理芯片MAX17270。MAX17270为3路输出开关调节器鬼太雄轻笑道,它的一大显著特点♂是通过电阻来设置三路输出电压,特别方便简☆单。设计用于要求在极小空间内高效调节多个电源的应用,能够建立高∞于、低于或苍粟旬脸上出现了短暂等于输入电压的输出电压,所以能够充分★利用整个电池电压范围。

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                图9 SIMO方案→和传统电源方案对比

                1620975075900528.png

                图10 MAX77651 应用框图

                电源测试

                系统既有高精度模拟电源,也有数字电源,而我们▆设计采用的是单一集成的电源方案,因此其性能对系统精度极为重要。电路设计和PCB布线一定要以数据手册要求为主,尤其重点要注意以下几点:

                一是IN_SBB和SBBx的电容要尽可能的靠近☉管脚,尽量不要有过孔;

                二是SBBx的输出走线尽可╲能短,减少】和负载端的分布参数;

                三是采用SIMO技术的高度集成方案,外围器件很少,主要就一个电感和几个电容,所以整个尺寸很小。为了保Ψ证性能,需要多层要不然也不会作出这样布板,建议4层或以上,保证有单独的〓电源层和地层。

                下图是本参考设计测々试的MAX77651B 输出波形,可以看到纹波最大是35mVpp。这√是单一电感3路输出的效№果,性能◥完全可以接受。

                图11.png

                图11 MAXREFDES1263电源纹︽波测试

                参考文献:

                1.MAX20340数据∑ 手册及参考资料, Maxim Integrated Products,

                https://www.maximintegrated.com/en/products/comms/MAX20340.html

                2.MAX77818数据手册及参考资料, Maxim Integrated Products,

                https://www.maximintegrated.com/en/products/power/battery-management/MAX77818.html

                3.MAX17260数据手册及参考资料, Maxim Integrated Products,

                4.https://www.maximintegrated.com/en/products/power/battery-management/MAX17260.html

                5.MAX77651数据手册, Maxim Integrated Products, 

                https://www.maximintegrated.com/en/products/power/switching-regulators/MAX77651.html

                6.MAX77650/MAX77651 编程手册, Maxim Integrated Products

                https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6428

                7.MAX32660数据手册, Maxim Integrated Products, 

                https://www.maximintegrated.com/en/products/microcontrollers/MAX32660.html

                8.MAX32660 用户编程手册,Maxim Integrated Products,

                https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6659

                *关于作者

                方良,硕士,主要从事工业和医疗技术应用和支持

                贾宁,硕士,主要从事信号卐链技术应用和支持

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