超低待机功耗的真无线耳机充电盒子设计方案

作者： ti 工程师 Charles Wong
无线耳机已经在市场上风云了超过10年，而且其取代有线耳机的趋势非常明显。但是大多数传统的无线耳机只是实现耳机和适配设备（如手机，电脑等）的分离。却仍然需要线缆将两个耳塞连接起来以实现信号的一致性同时降低设计成本。这使得用户的舒适性大大降低，同时让耳机的观赏性急剧下降！尤其是作为休闲和运动用途的耳机，这种设计在一定程度上还增加了线缆被缠绕导致人身伤害的风险。
近年来，随着科技的进步和蓝牙无线方案的成熟，市场上开始涌现了如图1所示的真正的无线耳机，即两个耳塞之间不再需要线缆来连接，并有取代传统线缆式无线耳机的趋势。这极大地提高了无线耳机的观赏性和便携性。

图1. 真无线耳机产品
由于真无线耳机尺寸极小，导致耳机内部只能防止容量非常小的锂离子电池，这种电池容量往往在50mA·H以内。此外，严苛的尺寸要求导致了无线耳机内部无法集成传统的micro-USB充电接口，取而代之的是两个简单的金属片来作为耳机充电的输入接口。由于耳机电池容量的限制，一般厂家都会标配一个专属充电盒来延长耳机的使用时间。由于体积的限制，充电盒的容量一般在1000mA·H以内，可以支持两个50mA·H无线耳机充电5次以上。

图2. TIDA-050007系统框图
TIDA-050007是专门针对这种应用而研发的参考设计。图2显示了TIDA-050007参考设计的系统框图。该参考设计提供了一个从充电盒到耳机的全套电源解决方案。TIDA-050007包含两部分创新性的设计来延长充电盒子的使用时间，同时减小充电盒子和耳机的PCB板级尺寸。
首先，整体待机功耗仅仅为18µA（一直使能状态），这个功耗几乎比市面上所有的单颗芯片（比如充电芯片，升压芯片，LDO）的静态功耗还低。这归功于本参考设计选用了TI业界领先的超低功耗MSP430 MCU（<1µA静态电流），, 充电芯片BQ25100A（75nA静态电流），升压芯片TPS61099（800nA静态电流）和LDO TPS7A05（1µA静态电流）。这么低的待机功耗可以使充电盒每个月的静态消耗小于1.6%的电池容量（以800mA·H电池容量为例）。而市面上大部分充电盒每个静态消耗在10%以上，这种类型的充电盒如果半年不用或者忘记使用，基本上内部锂电池已经永久性损坏。而基于TIDA-050007参考设计的充电盒可以有效的保护电池，因为这个静态损耗甚至低于某些锂电池的自放电损耗。
第二个创新点在于升压芯片TPS61099。 TPS61099 是一颗0.8µA超低静态电流的同步升压芯片。TPS61099的限流值设计在1A，同时采用了1.23mm×0.88mm的6球WCSP 封装，使得非常适合这个充电盒子应用。此外TPS61099拥有可编程电压反馈引脚，以及支持在输入电压高于输出电压时进入直通模式。这种直通模式在充电盒满电状态时可以使充电效率高达90%以上。此外，本参考设计还通过检测耳塞的电池电压状况来调整FB引脚电压，这样充电电压便跟随了耳机电池电压的变化而调整。相对于常规的5-V固定电压输出的OTG升压方案，本参考设计可提升整体充电效率超过15%。同时耳机内部充电芯片采用高精度BQ25100A，支持1mA充电电流精度。
图3是TIDA-050007的PCB照片，图4是电压跟踪功能的测试结果(测试条件：充电盒子电压4.2V)，由此可以看出在输入电压（充电盒子电池电压）高于输出电压（耳机电池电压）时，升压芯片工作在直通模式，一致到输入电压无法维持设计的充电电流，升压芯片将开始进入升压模式以满足充电电流的要求。这样极大的提升了充电效率降低了热损耗。

图3. TIDA-050007 PCB 图4. TIDA-050007电压跟踪示意图
对于TIDA-050007的静态充电测试显示，相较于传统5V固定输出电压的充电方案，TIDA-050007的充电能耗从3.35W·H下降到2.73W·H（测试条件为：充电盒子电池电压固定4.2V，对600mA·H锂离子电池从3V充到4.2V）。即使在整个电池电压范围内（3.3V～4.2V），该参考设计仍然具有15%以上的综合效率提升。详细测试结果请参考TIDA-050007 用户手册[1]。
综上所述，TIDA-050007极大的延长充电盒子的充电次数，极其适用于便携式音频/医疗设备。不要犹豫，马上下载设计文档，开始设计属于你的充电盒子吧！

参考文档：
[1]. TIDA-050007 user guide: http://www.ti.com/tool/TIDA-050007

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谢云生

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