基于MAXIM PLC技術(shù)的TWS解決方案

TWS (真無(wú)線耳機(jī)) 市場(chǎng)

近年來(lái)，TWS無(wú)線耳機(jī)整體市場(chǎng)持續(xù)快速增長(zhǎng)，市場(chǎng)越來(lái)越火爆，同時(shí)，包括智能終端、藍(lán)牙技術(shù)、芯片技術(shù)的不斷提升發(fā)展，進(jìn)一步加快了TWS無(wú)線耳機(jī)的產(chǎn)品普及。而各個(gè)廠家都推出了自己的解決方案，本文介紹美信的獨(dú)有方案。

系統(tǒng)架構(gòu)

圖1所示為本設(shè)計(jì)框圖,包括兩部分：充電盒和耳機(jī)。

充電盒采用3.7V@125mAH 鋰電池供電，通過(guò)USB 對(duì)其充電，利用美信高性能的電量計(jì)芯片MAX77818對(duì)電池進(jìn)行管理，由采用美信SIMO技術(shù)的集成電源管理芯片MAX17270 對(duì)系統(tǒng)供電。主控系統(tǒng)采用美信低功耗的Cortex M4 處理器MAX32660。

耳機(jī)采用3.7V小型鋰電池供電，由充電盒的PLC MAX20340對(duì)耳機(jī)進(jìn)行充電并通信，低功耗的電量計(jì)芯片MAX17260主要對(duì)電池進(jìn)行管理測(cè)量，由采用美信SIMO技術(shù)的集成電源管理芯片MAX77651對(duì)系統(tǒng)供電。主控系統(tǒng)用同款處理器MAX32660。同時(shí)配備了音頻codec MAX98090，方便語(yǔ)音處理和測(cè)試。這個(gè)Codec只是為了說(shuō)明效果，驗(yàn)證方案的可行性。

整個(gè)電路板的尺寸（包括所有元件）是充電盒：46mm*46mm，耳機(jī)：58mm*46mm，因?yàn)樗衅骷加行》庋b尺寸，實(shí)際產(chǎn)品尺寸可以做到很小，以滿足實(shí)際耳機(jī)尺寸要求。

圖1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖

圖2是本設(shè)計(jì)的電路實(shí)物，我們所有測(cè)試都是基于它進(jìn)行的。

圖2 MAXREFDES1263

數(shù)據(jù)通信和能量傳輸

TWS 耳機(jī)中，充電盒與耳機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸和能量傳遞很關(guān)鍵。目前市場(chǎng)上真無(wú)線耳機(jī)常常使用3個(gè)(或更多)引腳與其充電盒連接，用于傳輸數(shù)據(jù)和電源。額外的引腳則需要更大的空間，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致可靠性隱患。此外，耳機(jī)電池充電期間常采用固定電壓，該方法會(huì)引起有害發(fā)熱。本設(shè)計(jì)采用美信專(zhuān)有的MAX20340來(lái)實(shí)現(xiàn)耳機(jī)與其充電盒之間的電源和數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)信號(hào)疊加到電源上，這樣接口僅使用兩個(gè)引腳，有效減少故障點(diǎn)數(shù)量，從而提高可靠性。MAX20340為通用的雙向直流電力線通信 (PLC)管理IC，最大碼率為166.7kbps，支持最大1.2A充電電流，它的一個(gè)顯著特點(diǎn)是能同時(shí)實(shí)現(xiàn)充電和數(shù)據(jù)傳輸。MAX20340具有從機(jī)檢測(cè)電路，當(dāng)PLC主機(jī)檢測(cè)到電力線上出現(xiàn)PLC從機(jī)時(shí)，該電路向系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)中斷。該功能允許系統(tǒng)保持在低功耗狀態(tài)，直到連接上某個(gè)從機(jī)器件。這一特點(diǎn)很合適充電盒應(yīng)用。

圖3 MAX20340 PLC 數(shù)據(jù)通信波形圖

MAX20340的許多特性，例如主/從模式、I2C地址、雙/單PLC從機(jī)模式以及PLC從機(jī)地址，都可以通過(guò)引腳配置，從而方便簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。器件采用9焊球、0.4mm焊球間距、1.358mm x 1.358mm晶圓級(jí)封裝(WLP)。

圖4 MAX20340 結(jié)構(gòu)框圖

圖5 MAX20340配置流程圖

MAX20340工作流程

在開(kāi)始時(shí)，PLC線上處于鉗位狀態(tài)，這樣可以確保安全。上電后，設(shè)備首先進(jìn)行初始化，主要是檢測(cè)設(shè)備配置電阻值（RSEL），從而確認(rèn)設(shè)備的工作模式（主機(jī)/從機(jī)模式，從機(jī)數(shù)量），設(shè)備I2C地址，從機(jī)地址。這個(gè)過(guò)程大概需要3mS左右，可以用等待方式或者用中斷方式(Rsel_Donei)來(lái)確認(rèn)初始化是否完成。初始配置完成后，我們可以通過(guò)讀取寄存器DEV_STATUS來(lái)確認(rèn)配置的工作模式。

當(dāng)設(shè)備是主機(jī)模式時(shí)，它處于低功耗關(guān)斷狀態(tài)，使能（/EN）后, 進(jìn)入從機(jī)檢測(cè)狀態(tài)。如果成功檢測(cè)到從機(jī)，主機(jī)就會(huì)開(kāi)通PLC通道上的開(kāi)關(guān)（Q1/2），進(jìn)入從機(jī)充電模式，從而可以通過(guò)VCC對(duì)PLC端進(jìn)行充電，充電電流可達(dá)1.2A。同時(shí)，主機(jī)可以主動(dòng)啟動(dòng)PLC線上通信，進(jìn)入PLC模式，和從機(jī)交換數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程中，如果有任何的短路不安全因素發(fā)生，設(shè)備會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)（Q1/2），進(jìn)入安全模式。

當(dāng)設(shè)備是從機(jī)模式時(shí)，它處于低功耗關(guān)斷狀態(tài)，使能（/EN）后, 進(jìn)入主機(jī)檢測(cè)狀態(tài)。如果成功檢測(cè)到主機(jī)，并且線上PLC電壓大于設(shè)置的門(mén)限電壓，設(shè)備就進(jìn)入主機(jī)找到模式，使能數(shù)據(jù)通信，自動(dòng)配置開(kāi)關(guān)（Q1/2）處于LDO模式，并等待主機(jī)的數(shù)據(jù)通信命令。當(dāng)收到主機(jī)協(xié)議時(shí)，就可以相應(yīng)的回復(fù)數(shù)據(jù)。主機(jī)隨時(shí)可以通過(guò)命令使從機(jī)恢復(fù)空閑等待狀態(tài)，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)（Q1/2）。 需要注意的是，主從之間的數(shù)據(jù)通信必須由主機(jī)發(fā)起。當(dāng)有雙從機(jī)時(shí)，兩個(gè)從機(jī)是通過(guò)特定的位地址來(lái)確認(rèn)的。

高性能電量計(jì)

充電盒設(shè)計(jì)電池部分采用美信最新的電量計(jì)管理芯片MAX77818。MAX77818將高性能開(kāi)關(guān)充電器和專(zhuān)有的ModelGauge? m5電量計(jì)集成于一個(gè)WLP封裝，是USB供電便攜式設(shè)備的理想選擇。智能電源通路充電器支持兩路輸入，帶有反向阻塞和USB-OTG，集成全部功率開(kāi)關(guān)，工作在較高開(kāi)關(guān)頻率，具有高效率，支持利用較小外部元件實(shí)現(xiàn)低熱設(shè)計(jì)。Maxim ModelGauge m5算法既有庫(kù)侖計(jì)出色的短期高精度、高線性度特性，又具有電壓電量計(jì)優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而溫度補(bǔ)償還提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的計(jì)量精度。器件還集成兩個(gè)高壓輸入LDO，可通過(guò)I2C接口靈活編程。需要說(shuō)明的是，為了準(zhǔn)確的測(cè)量電池電量，需要對(duì)電池進(jìn)行建模，取得電池的特征參數(shù)。美信有專(zhuān)門(mén)的團(tuán)隊(duì)可以幫助電池建模。當(dāng)然，在初始階段，大家也可以利用美信網(wǎng)上的工具生成簡(jiǎn)單的建模參數(shù)，進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。

耳機(jī)部分采用MAX17260。這是一款超低功耗電量計(jì)IC，低至5.1μA工作電流，采用Maxim ModelGauge? m5算法，監(jiān)測(cè)單節(jié)電池，支持高邊和低邊電流檢測(cè)。值得說(shuō)明的是MAX17260支持ModelGauge m5 EZ算法，即不要求對(duì)電池進(jìn)行特征分析，很容易實(shí)現(xiàn)電量計(jì)量，并簡(jiǎn)化主機(jī)軟件。算法具有較高容限，支持多種鋰電池應(yīng)用。IC在較寬的工作條件下自動(dòng)補(bǔ)償電池老化、溫度和放電率，無(wú)需校準(zhǔn)，并以百分比(%)提供精確的電量狀態(tài)(SOC)，以毫安時(shí)(mAh)提供剩余容量。當(dāng)電池達(dá)到接近空電量的臨界區(qū)域時(shí)，算法激活特殊的誤差修正，進(jìn)一步消除誤差。IC精確估算剩余工作時(shí)間和電池充滿需要的時(shí)間，提供三種報(bào)告電池壽命的方法：容量降低、電池電阻變大和充電次數(shù)增加。

圖6 MAX77818 結(jié)構(gòu)框圖

圖7 MAX17260結(jié)構(gòu)框圖

處理器單元

MAX32660是帶有浮點(diǎn)運(yùn)算單元 (FPU)的超低功耗ARM M4核的MCU，自帶256KB閃存、96KB RAM、16KB指令緩存、14個(gè)通用I/O引腳，采用簡(jiǎn)單的SWD編程。其內(nèi)部振蕩器工作頻率高達(dá)96MHz，支持SPI, UART和I2C通信。 它集成了優(yōu)化的電源管理單元，待機(jī)電流只有2uA，可以最大程度延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間。MAX32660的超低待機(jī)功耗，靈活的電源配置，超小體積（1.6mm x 1.6mm），使其非常適合可穿戴設(shè)計(jì)應(yīng)用，包括無(wú)線耳機(jī)，運(yùn)動(dòng)手表，手環(huán)，健身設(shè)備，手持醫(yī)療設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中，MAX32660用于處理各種軟件工作，軟件流程圖見(jiàn)圖8。流程圖包括兩部分：充電盒端和耳機(jī)端。

充電盒端軟件流程工作如下：首先上電后初始化GPIO口和各個(gè)外設(shè)，包括I2C， SPI，Timer1，并配置好中斷向量。接下來(lái)配置外圍器件，包括電量計(jì)芯片MAX77818，DC-DC電源MAX77813， PLC 芯片MAX20340，OLED顯示屏。MAX77813是給MAX20340供電，直接配置成5V輸出（VOUT[6:0]=0x78）。MAX20340配置成主機(jī)模式，并設(shè)置好PLC數(shù)據(jù)格式，PLC電流和電壓大小，充電電壓門(mén)限，LDO電壓差，以及中斷使能。因?yàn)閰⒖荚O(shè)計(jì)默認(rèn)充電盒一直工作待機(jī)，當(dāng)有外部USB電源輸入時(shí)，充電盒就開(kāi)始充電，直到電池充滿。OLED始終顯示電池電量。當(dāng)有從機(jī)PLC連接時(shí)，主機(jī)立馬收到中斷信號(hào)，并進(jìn)行從機(jī)識(shí)別判斷。如果檢測(cè)到是正確的從機(jī)后，打開(kāi)PLC輸出對(duì)從機(jī)進(jìn)行充電，并定時(shí)詢問(wèn)從機(jī)，正確收到從機(jī)反饋后，讀取從機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)（耳機(jī)的電量和充電狀態(tài)百分比）并進(jìn)行顯示。

耳機(jī)端軟件流程工作如下：首先上電后初始化GPIO口和各個(gè)外設(shè)，包括I2C，Timer1，并配置好中斷向量。接下來(lái)配置外圍器件，包括電量計(jì)芯片MAX17260，SIMO電源MAX77651, PLC 芯片MAX20340， Codec MAX98090 。MAX20340配置成從機(jī)模式，并設(shè)置好PLC數(shù)據(jù)格式，PLC電壓大小，充電電壓門(mén)限，LDO電壓差，以及中斷使能。從機(jī)MAX20340連接到主機(jī)后，就由主機(jī)MAX20340通過(guò)PLC線上進(jìn)行供電，進(jìn)而從機(jī)MAX20340對(duì)MAX77651供電，并由MAX77651提供整個(gè)耳機(jī)需要的各個(gè)電源。當(dāng)從機(jī)收到主機(jī)通訊命令時(shí)，進(jìn)行響應(yīng)，發(fā)送回耳機(jī)的電池電量和充電狀態(tài)。

圖8 MAX32660 軟件流程圖

電源管理系統(tǒng)

穿戴設(shè)備都是電池供電，對(duì)工作時(shí)間有一定要求，同時(shí)對(duì)體積也有嚴(yán)格要求，希望越小越好。因此，電源管理系統(tǒng)就顯得尤為重要。小尺寸鋰電池供電設(shè)備的大多數(shù)PMIC還會(huì)需要其它附加器件，例如boost、buck或低壓差（LDO）穩(wěn)壓器、充電管理器或用于LED顯示器的電流調(diào)節(jié)器。為節(jié)省空間、提高效率，MAX77651將上述功能全部集成在一起，構(gòu)成完整的電源方案，而面積只有19.2mm² ，基本是當(dāng)前市場(chǎng)上類(lèi)似方案尺寸的1/2。MAX77651另一個(gè)顯著特點(diǎn)是采用單電感多輸出（SIMO） buck-boost架構(gòu)，憑借獨(dú)特的內(nèi)部控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單個(gè)電感提供三路電源輸出，并結(jié)合150mA LDO和三路灌電流驅(qū)動(dòng)器，大大減少板級(jí)元器件數(shù)量，最大程度地增大電路板可用空間。為提高設(shè)計(jì)靈活性，MAX77651分別支持最高3.3V和5V工作電壓，同時(shí)也提供各種工廠編程選項(xiàng)，允許客戶根據(jù)自身需求量身定制方案，使產(chǎn)品快速上市，是一款理想的低功耗設(shè)計(jì)應(yīng)用的芯片。因此，MAX77651具有超低待機(jī)功耗（0.3uA），高效率，少器件，小尺寸的顯著優(yōu)勢(shì)。下圖是采用美信SIMO方案和傳統(tǒng)電源方案的一個(gè)示例對(duì)比測(cè)試。

充電盒同樣采用了SIMO技術(shù)的電源管理芯片MAX17270。MAX17270為3路輸出開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，它的一大顯著特點(diǎn)是通過(guò)電阻來(lái)設(shè)置三路輸出電壓，特別方便簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)用于要求在極小空間內(nèi)高效調(diào)節(jié)多個(gè)電源的應(yīng)用，能夠建立高于、低于或等于輸入電壓的輸出電壓，所以能夠充分利用整個(gè)電池電壓范圍。

圖9 SIMO方案和傳統(tǒng)電源方案對(duì)比

圖10 MAX77651 應(yīng)用框圖

電源測(cè)試

系統(tǒng)既有高精度模擬電源，也有數(shù)字電源，而我們?cè)O(shè)計(jì)采用的是單一集成的電源方案，因此其性能對(duì)系統(tǒng)精度極為重要。電路設(shè)計(jì)和PCB布線一定要以數(shù)據(jù)手冊(cè)要求為主，尤其重點(diǎn)要注意以下幾點(diǎn)：

一是IN_SBB和SBBx的電容要盡可能的靠近管腳，盡量不要有過(guò)孔；

二是SBBx的輸出走線盡可能短，減少和負(fù)載端的分布參數(shù)；

三是采用SIMO技術(shù)的高度集成方案，外圍器件很少，主要就一個(gè)電感和幾個(gè)電容，所以整個(gè)尺寸很小。為了保證性能，需要多層布板，建議4層或以上，保證有單獨(dú)的電源層和地層。

下圖是本參考設(shè)計(jì)測(cè)試的MAX77651B 輸出波形，可以看到紋波最大是35mVpp。這是單一電感3路輸出的效果，性能完全可以接受。

圖11 MAXREFDES1263電源紋波測(cè)試

參考文獻(xiàn)：

1．MAX20340數(shù)據(jù)手冊(cè)及參考資料, Maxim Integrated Products,

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

2．MAX77818數(shù)據(jù)手冊(cè)及參考資料, Maxim Integrated Products,

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

3．MAX17260數(shù)據(jù)手冊(cè)及參考資料, Maxim Integrated Products,

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

5．MAX77651數(shù)據(jù)手冊(cè), Maxim Integrated Products, 

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

6．MAX77650/MAX77651 編程手冊(cè), Maxim Integrated Products

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

7．MAX32660數(shù)據(jù)手冊(cè), Maxim Integrated Products, 

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

8．MAX32660 用戶編程手冊(cè)，Maxim Integrated Products,

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

*關(guān)于作者

方良，碩士，主要從事工業(yè)和醫(yī)療技術(shù)應(yīng)用和支持

賈寧，碩士，主要從事信號(hào)鏈技術(shù)應(yīng)用和支持