提升TWS耳机续航，需要什么样的“充电桩”？

来源：AVNET

根据IDC发布的最新数据，2020年全球可穿戴设备的出货量预计可达到3.96亿台，与2019年相比增长14.5％。如果从可穿戴细分市场来看，可听式穿戴设备（Hearables）占到了总出货量的近六成，表现十分抢眼。


图1：全球看穿戴市场出货量分析（资料来源：IDC）

可听式穿戴设备之所以能够达到如此大的规模，背后的一个最重要的推手就是TWS真无线耳机的崛起。自从2016年苹果推出AirPods以来，在很短的时间内就取得了巨大的市场成功——如今在每天上下班通勤途中，总是能够看到擦肩而过行人耳边露出的白色“小蝌蚪”，AirPods的市场渗透率由此可见一斑。

这也引发了其他友商的入局和跟进，最终成就了TWS市场整体的繁荣。根据IDC早前的市场分析，TWS耳机在过去几年中一直保持着100%的增长率，2019年的出货量达到了1.2亿台，而2020年底有望突破2亿台。


图2：全球TWS耳机市场走势及各厂商市场占有率（资料来源：IDC）

不过从分析数据中我们能够很明显看到，尽管受到“群狼”的围攻，苹果仍以超过40%的市占率稳坐TWS市场的头把交椅。这与其先入为主的市场策略有关，但另一方面，从综合的产品性能来看，能够与AirPods掰手腕的TWS产品确属凤毛菱角。很多厂商，包括一些以前在蓝牙耳机领域颇有建树的品牌，在第一代TWS产品上都踩过坑，可见TWS的技术门槛还是不容小觑的。有AirPods这样的行业标杆在前，后来者的压力自然不小。

从最终用户的角度来看，消费者的胃口也被越吊越高，对TWS产品的要求也原来也多——TWS的音质不能太“白开水”；延时也要尽可能短，不能耽误“吃鸡”；降噪方面不管是被动式还是主动式，总之要有所作为……当然，还有一个最为关键的指标，那就是TWS的续航要尽可能长，越长越好！

说实话，在一个仅几克重的耳机里，要挤下主控蓝牙芯片、音频解码器、扬声器、麦克风，以及存储器、传感器等元器件，难度已然不小，想要安放一个容量大一些的电池就更难了，这也使得TWS耳机在续航表现方面通常敌不过传统的蓝牙耳机。不过为此，AirPods已经给出了一个合理的解决方案，那就是利用一个耳机收纳充电仓，在不使用耳机的时候随时为其充电，每次拿出耳机时都确保其能量满满，也使得耳机的累计续航时间大大增加——经由充电仓补充电能，初代的TWS的总续航能力都在10-20小时，而目前最新款的TWS都提升到了25-30小时。

与空间狭小局促的耳机相比，人们可能会认为TWS充电仓的设计会轻松不少，而实际上其中的挑战也不简单，其中最突出的挑战来自两个方面：

· 更小的体积：作为一个便携设备，TWS的充电仓体积同样会受到约束，而且从目前的趋势来看，充电仓中还会不断增添新的功能——如无线充电——因此其在空间利用率上也是需要锱铢必较的。
· 更高的效率：效率不高，可能会在充电过程中导致耳机发热，进而影响充电速度，同时也会造成更多能量的损耗，影响总的续航时间。
解决上述问题，就需要经过专门优化的产品提供助力。好消息是，我们已经能够在市场上看到针对性的产品和解决方案。

比如在简化耳机充电电路，压缩系统空间方面，Maxim Integrated前不见就提出了一种新颖的解决方案。

传统的TWS充电过程中，需要使用3个或更多的引脚，其中两个引脚用于充电，其他引脚用来在充电盒和耳机之间建立通信（或数据）通道，一方面跟踪耳机电池的充电状态以便对充电过程进行调控，另一方面实现设备固件升级和/或用于工厂调试，在一些方案中还使用专用的(pogo)引脚检测耳机是否被放入充电盒。但更多的引脚，也就意味着电路布线的复杂性会增加，而且会在可靠性上引入额外的风险。


图3：典型的充电仓为耳机充电电路，需要使用至少3个引脚（图源：Maxim）

对此，Maxim Integrated提出了一种“电力线通信”解决方案——MAX20340直流电力线通信管理IC，它将数据和电源传输组合到单个通道，将数据信号叠加到电源上，这样一来仅使用2个引脚就可以同时实现电力传输（最大充电电流为1.2A）和双向通信（速率高达166.7kbp），整个充电系统也相应地得以简化。


图4：MAX20340仅需要两个引脚即可实现耳机和充电盒之间的数据和电源传输（图源：Maxim）

在提升充电仓为耳机充电的效率方面，Maxim Integrated同样也提出了一个独特的解决方案。

典型的充电方案中，充电仓中的锂离子电池会以5V的电压向TWS耳机充电，即使耳机电池电压随着充电过程逐渐升高，充电仓输出的电压——也就是耳机线性充电器的输入电压——始终会保持在5V，而这样的高电压会导致更多的功率以热量耗散掉，影响整体的效率。

Maxim Integraetd在新推出的MAX20343升/降压转换器中，采用动态电压调节(DVS)技术解决了这一问题——在充电过程中，由升压转换器提供的充电仓输出的电压（耳机线性充电器的输入电压）与电池电压之间的电压差，随着电池电压升高而改变，从而减小能量损耗，提高效率。


图5：MAX20343升/降压转换器采用DVS)的技术提升充电效率（图源：Maxim）

上述的MAX20340与MAX20343配合使用，就构成了一个以小型化、高效率为特点的TWS充电仓解决方案：MAX20340间歇地查询耳机电池电压，并将该信息提供给充电仓中的微控制器；微控制器调节MAX20343的输出电压，使其与耳机电池电压加上线性充电器所需的附加裕量相匹配，这样能够最大程度降低充电仓中电池的能源浪费，也可避免耳机充电时温度过热，以实现更快的充电速率。


图6：MAX20340与MAX20343配合实现的TWS充电仓解决方案（图源：Maxim）

与物联网时代的其他电池供电、无线连接的产品一样，TWS也面临着严峻的电源管理的挑战。就像电动汽车行使过程中需要一个个“充电桩”为其补充能量、延伸航程一样，TWS的充电仓也成为了提升耳机续航的关键一环。幸运的是，创新的技术正在让TWS的续航体验不断提升，这也会进一步推动整个TWS市场持续的发展，同时为其他更多新概念的Hearables产品的诞生创造条件。