微源TWS蓝牙耳机整体解决方案

原创微源微源半导体 2022-01-18 17:58

TWS是英文True Wireless Stereo的缩写，即真正无线立体声的意思。TWS蓝牙耳机完全摒弃了线材连接的方式，可实现单双耳佩戴，带来非常灵活便捷的佩戴体验。近两年随着相关技术的不断进步，主动降噪、通话降噪、空间音效、无线充电、游戏模式等等众多新功能的加入，进一步提升了TWS耳机的使用体验。更由于主流旗舰手机相继取消耳机插孔，TWS蓝牙耳机成为了当下消费者最为火爆的耳机品类，市场得到迅猛发展。

从目前的TWS耳机的功能应用趋势来看，未来还或将搭载健康监测、运动等功能，有可能成为独立存在的产品，无需通过连接音频设备端即可进行音频播放也可能成为物联网的接入端口，扩展丰富的应用场景。

主流设计方案

目前市场上 TWS 蓝牙耳机的主流设计方案可以大致分为三类：

1、分离器件方案

该方案的框图如下，主要包含前端的OVP/OCP保护器件，再到电池充电模块，然后电池升压输出给到蓝牙耳机供电和给蓝牙耳机电池充电，部分蓝牙平台需要外置充电芯片。其中电池前端常规会加一个锂保来保证电池的安全性，其他差异化功能通过MCU来实现。

该方案特点：外围元件较多，对板面积要求较高，适用于UI复杂的差异化功能设计。

2、集成SoC方案

如下图，集成充电仓SoC方案针对不同类型的蓝牙主平台芯片功耗管理的需求，设计了独特的负载检测，输出电压自动调节功能。通过检测Vout引脚上的负载电流的变化(耳机充满后充电电流减小)，一旦检测到电流低于设定的截止电流，并持续16秒以上，芯片会自动将Vout上的输出电压从5V降至2.7V，从而使得有高耗电问题的蓝牙主芯片可以降低待机的功耗。

如果该耳机充电仓支持无线充电，线圈的耦合产生电压有可能会不稳定，出现高电压的问题，通常的解决方式是在接收端增加LDO或BUCK稳压，或出现高电压时充电芯片启动过压保护而停止充电。LP7800S特别设计的宽工作电压，能确保在输入电压为15V以内时都可正常工作，在带无线充电功能的应用，可简化应用同时降低整体方案的成本(支持宽电压输入、低功耗蓝牙耳机充电仓PMU——LP7800S)。

集成方案框图如下：

同样LP7801系列产品是一款专为TWS充电仓应用设计的单芯片解决方案SoC，内置过压保护模块、锂电池充电管理、同步升压转换器、充电状态指示和NTC电池温度保护功能。同时LP7801的待机电流仅1.7uA，在升压常开待机状态下，可忽略芯片自身功耗，使整机待机时长更长久；同步升压转换器支持 0.5A 输出，效率可达95%，另外升压模块开关管脚耐高压，进一步提升品质可靠性；轻载模式无音频噪音，提高用户体验感，搭配MCU差异化功能是最优的电源选择。高集成度单芯片还可节省PCB板的面积，无需复杂的外围电路，让设计更加简单。

3、耳机超高效率快充集成方案

近年TWS耳机的多麦有源降噪等众多新功能极大地提升了用户体验，更快的充电速度以及更长的充电仓电池续航时间，可以进一步提升用户体验。微源半导体近日率先推出了业界领先的超高效率快充方案 -- LP7810+LP4080，可以让工程师创建非常简洁的高效率TWS快充系统，支持5C充电电流，全程低温不发热。实现耳机充电3分钟听歌2小时的用户体验。LP7810为充电仓的管理芯片，LP4080H为耳机侧的快充管理芯片。

LP7810搭配LP4080H主要优点：支持3C/5C快充，低压差充电，使得耳机在5C充电电流时也仅产生很低的温升。低压差充电同时意味着低损耗，相对传统方案，LP7810能把充电仓电池到耳机的电池的转换效率提升20%，并集成I2C通讯模块，双向UART通讯，极简外围，仅需低成本IO型MCU，无需AD型。另外，LP4080H芯片仅消耗600nA超低电流，拥有超低压差充电管理，出入仓检测，1-wire私有通信协议以及5个逻辑信号等功能。通过1-wire协议，用户可以灵活调整浮充电压，开机信号，复位信号等。

芯片主要参数