詳解HERO ChargeTM 的TWS充電方案

當(dāng)人們還在宣稱30多小時(shí)為長(zhǎng)續(xù)航時(shí)，SoundPeats在雙12發(fā)布了旗下的Capsule3 Pro TWS耳機(jī)，見圖1，其續(xù)航時(shí)間高達(dá)令人震驚的52小時(shí)。拆開該耳機(jī)，人們發(fā)現(xiàn)該款TWS耳機(jī)采用了微源半導(dǎo)體的HERO ChargeTM方案LP7810 + LP4080。

01 TWS 耳機(jī)續(xù)航時(shí)間對(duì)比 ?

? 從拆開的耳機(jī)我們發(fā)現(xiàn)Capsule3 Pro充電倉的電池是500mAh/1.85Wh，耳機(jī)電池為35mAh（0.135Wh/3.85V），充電倉采用的充電倉管理芯片為L(zhǎng)P7810，耳機(jī)采用了LP4080，見圖2。從52audio網(wǎng)的一些拆解報(bào)告，人們可以發(fā)現(xiàn)一些充電倉電池容量大小500mAh左右的TWS耳機(jī)，如表1所示。為什么Capsule3 Pro的續(xù)航時(shí)間明顯長(zhǎng)于其它耳機(jī)？答案可能有多個(gè)因素，其采用的HERO ChargeTM?方案顯然功不可沒。

圖 2. Capsule3 Pro 耳機(jī)內(nèi)部的電池和PCB

02 52小時(shí)背后的HERO ChargeTM

? 下面我們簡(jiǎn)單介紹一下HERO ChargeTM?的TWS充電方案。TWS耳機(jī)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化的系統(tǒng)框圖如圖3所示。充電倉輸出電源給左耳機(jī)和右耳機(jī)的充電電路供電，一般的藍(lán)牙芯片自帶線性的充電電路，當(dāng)然也有藍(lán)牙芯片不帶充電電路所以需要增加外部充電電路。當(dāng)給耳機(jī)充電時(shí)，一般需要供給充電電路一個(gè)5V左右的電源，耳機(jī)從較低的電壓（如2.8V）被充到4.2V，整個(gè)充電過程中5V的輸入電壓和電池電壓之間的電壓差乘以充電電流所產(chǎn)生的功率會(huì)轉(zhuǎn)換成熱浪費(fèi)掉。圖4左邊的圖可以幫助理解這個(gè)充電過程。假設(shè)在恒流充電（CC）階段平均電壓為3.7V，這個(gè)階段的功率轉(zhuǎn)換效率為74%（= 3.7/5）。再加上充電倉內(nèi)電路（如升壓電路）的損耗，充電倉電池到耳機(jī)電池的功率轉(zhuǎn)換效率會(huì)更低。

圖 3. 簡(jiǎn)化的方案框圖

圖 4. HERO ChargeTM?充電方案和傳統(tǒng)線性充電的比較

由于耳機(jī)充電電路的電壓差是產(chǎn)生損耗的主要原因，人們很容易想到降低該電壓差可以提高效率及降低發(fā)熱，如圖4右邊的圖所示，這就是我們常聽說的“低壓差”或“電壓跟隨”充電方案。為了“跟隨”耳機(jī)電池的電壓，充電倉需要實(shí)時(shí)知道耳機(jī)電池的電壓值，才能輸出一個(gè)電壓略高于該值。充電倉和耳機(jī)之間只有電源和地兩根線，沒有第三根線提供電池電壓值反饋，充電倉如何實(shí)時(shí)知道耳機(jī)電池的電壓值呢？筆者了解到目前有兩種方法。一種方法是充電倉和耳機(jī)之間需要通過通訊，充電倉定時(shí)問詢耳機(jī)端的MCU，了解電池電壓值，然后在其基礎(chǔ)上加一差值，該差值大約在300mV。第二種方法是充電倉在CC階段定時(shí)查看耳機(jī)充電電流是否下降，如果下降就代表耳機(jī)充電電路電壓差過低，就上調(diào)電壓。

目前第二種方法需要外加電流測(cè)量電阻和高精度ADC來量電流，存在電阻太大則損耗增加和電阻太小則精度不夠的矛盾。兩種方案都存在需要軟件介入才能實(shí)現(xiàn)“電壓跟隨”的效果，需要軟硬件工程師互相配合，增加研發(fā)復(fù)雜度，實(shí)際上也增加成本。 HERO ChargeTM充電方案的電壓跟隨是完全自動(dòng)的。這里HERO是Highly Efficient, Rapid & Optimized的縮寫，意思為“高效、快速、優(yōu)化”。該方案無需軟件介入，充電倉會(huì)自動(dòng)輸出一個(gè)電壓略高于耳機(jī)電池電壓。如LP7810在CC階段，如果CC電流設(shè)置得比較低，這個(gè)電壓差在50mV左右，電流大時(shí)，充電電路大約等效于一個(gè)0.5W的電阻。圖5為一個(gè)實(shí)測(cè)的LP7810+LP4080給一個(gè)50mAh的耳機(jī)電池充電的過程，充電電流為150mA(3C)，從圖中可以看到在CC階段這個(gè)“低壓差”在大約75mV左右。如果仍然以3.7V為平均電池電壓，這時(shí)線性充電電路的效率高達(dá)“98%”（=3.7V/3.775V），再去掉升壓等電路的損耗，從充電倉電池到耳機(jī)電池的功率轉(zhuǎn)換效率可輕易超過90%。

圖 5. HERO ChargeTM在CC階段和CV階段的電壓和電流波形

圖6是微源的LP7811+LP4081用在一個(gè)540mAh充電倉電池給兩只50mAh耳機(jī)電池的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。圖中下降的波形是充電倉電池累計(jì)容量下降的過程，上升的兩曲線是兩只耳機(jī)累計(jì)容量上升過程，兩只耳機(jī)實(shí)際容量有一點(diǎn)差異，所以這兩曲線沒有完全重合。這個(gè)測(cè)試在倉電池還剩14mAh時(shí)停止，所以充電倉實(shí)際釋放出526mAh，兩只耳機(jī)總共接收到428mAh容量，容量轉(zhuǎn)移率達(dá)81%（= 428/526）。對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)線性充電，這個(gè)轉(zhuǎn)移率大約為60%多，充電倉續(xù)航時(shí)間的增加幅度會(huì)超20%，甚至達(dá)30%，是非?？捎^的。

圖 6. 實(shí)測(cè)一只540mAh充電倉電池給兩只50mAh耳機(jī)電池充電容量轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù) HERO ChargeTM充電方案有以下特點(diǎn)：

a. 由于耳機(jī)內(nèi)充電效率非常高，即便耳機(jī)充電電流比較大，耳機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的熱很低，所以HERO ChargeTM可用于快充。對(duì)于40mAh的耳機(jī)電池，微源的LP7811可達(dá)7.5C耳機(jī)充電電流，LP7810可達(dá)6C以上。

b. 由于充電效率很高，每次給耳機(jī)電池充電過程中浪費(fèi)少，沒有浪費(fèi)的電荷都留在充電倉電池里，所以充電倉的電池續(xù)航時(shí)間得以大幅度延長(zhǎng)，這個(gè)特點(diǎn)即便沒有利用快充也同樣有效。Capsule3 Pro正是利用了這個(gè)特性。

c. 無需MCU軟件介入充電過程，開發(fā)調(diào)試簡(jiǎn)單。

d. 仍然是線性充電，所以沒有過多的外部電感等龐大的器件，PCB面積小。

03 HERO ChargeTM方案組合

? 微源的產(chǎn)品在大量的TWS耳機(jī)被采用，近年推出了若干產(chǎn)品支持HERO ChargeTM方案，圖7為現(xiàn)有支持HERO ChargeTM的產(chǎn)品組合，其中LP781x為充電倉管理芯片，LP408x為耳機(jī)內(nèi)的充電芯片，LP4080或LP4081可以和任何一顆充電倉管理芯片配合來實(shí)現(xiàn)HERO ChargeTM方案。LP7810內(nèi)含一個(gè)支持30V輸入耐壓的線性充電電路為充電倉的電池充電，左右兩路獨(dú)立的輸出最大250mA電流給耳機(jī)充電。LP7811內(nèi)含一個(gè)支持30V耐壓的高效開關(guān)充電電路給充電倉的電池充電，最大充電電流達(dá)1.7A，左右兩路獨(dú)立的輸出最大電流達(dá)300mA給耳機(jī)充電。LP7812無需搭配MCU，充電倉可以單芯片實(shí)現(xiàn)HERO ChargeTM方案，其它充電倉管理芯片需要搭配MCU實(shí)現(xiàn)管理。如需了解更多關(guān)于HERO ChargeTM方案的信息可以聯(lián)系微源。

圖 7. HERO ChargeTM產(chǎn)品組合 ? 04 HERO ChargeTM方案合作伙伴

? 為了降低整個(gè)TWS耳機(jī)的成本，微源和行業(yè)內(nèi)一些TWS藍(lán)牙主芯片公司合作，使他們的藍(lán)牙芯片內(nèi)置的線性充電支持HERO ChargeTM方案，比如藍(lán)訊最近推出的訊龍3代。只要搭配微源任何一顆LP781x充電倉管理芯片，藍(lán)訊的訊龍3代耳機(jī)就可以享受HERO ChargeTM方案帶來充電倉續(xù)航時(shí)間的增長(zhǎng)。

05 結(jié)束語??

? HERO ChargeTM充電方案具有“高效，快速，優(yōu)化”的特點(diǎn)，其超高的功率轉(zhuǎn)換效率允許耳機(jī)以高C倍率充電而不發(fā)熱，達(dá)到快充目的，提高用戶體驗(yàn)。LP4080的“壓差”低至50mV，低于其他“低壓差”方案。高效率省下的能量留在充電倉電池里，可以大幅度提高TWS耳機(jī)電池的續(xù)航時(shí)間，這個(gè)特點(diǎn)在SoundPeats旗下的Capsule3 Pro TWS耳機(jī)52小時(shí)的續(xù)航時(shí)間得以充分體現(xiàn)。HERO ChargeTM充電過程無需MCU軟件介入，可以節(jié)省研發(fā)投入，也降低成本。充電電路仍然是線性充電，外部器件很少。如果搭配像訊龍3代這樣的藍(lán)牙主芯片，耳機(jī)內(nèi)自帶支持HERO ChargeTM充的充電電路，進(jìn)一步降低成本和PCB面積.

編輯：黃飛

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