TWS藍(lán)牙耳機(jī)一直很受歡迎，與之匹配的耳機(jī)母體——充電倉(cāng)也非常重要。充電倉(cāng)可對(duì)TWS耳機(jī)及自身進(jìn)行充電管理、顯示電量，將SOC(電池的荷電狀態(tài))傳到手機(jī)APP。方案休眠電流低至0.5μA，符合收納盒小巧空間需求，以及低待機(jī)功耗等節(jié)能要求。

方案特點(diǎn)

本方案基于BP66FW1240無線充電接收專用Flash MCU，組合了低功耗藍(lán)牙芯片BC7161和電源芯片HT7133-1，可實(shí)現(xiàn)對(duì)自身以及耳機(jī)進(jìn)行充放電管理，自帶的軟件庫(kù)侖計(jì)可計(jì)算SOC(電池的荷電狀態(tài))，同時(shí)通過BC7161藍(lán)牙模塊將SOC傳到手機(jī)APP。

?

?

電量顯示有兩種方式：LED燈顯示以及藍(lán)牙APP顯示。LED燈顯示通過點(diǎn)亮燈的個(gè)數(shù)來顯示電量，0~40%電量亮1個(gè)燈，40~60%電量亮2個(gè)燈，60~80%電量亮3個(gè)燈，80~100%電量亮4個(gè)燈。

LED燈除了可顯示電量外，還可通過流水燈效來表示充電倉(cāng)的充電狀態(tài)。藍(lán)牙APP顯示需要在手機(jī)上預(yù)裝對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙APP，充電倉(cāng)蓋子開啟時(shí)通過APP進(jìn)行藍(lán)牙連接即可觀察到BC7161模塊廣播出來的電量數(shù)據(jù)。

本方案基本特性如下： ??
工作電壓：DC3.8V(鋰電池供電) ??
工作電流：待機(jī)電流12μA，
耳機(jī)充電電流：340mA
溫度條件：-40℃~85℃ ??
收納盒充電電流：140mA
LDO輸出電壓：5V
BLE工作頻率：2426MHz
BLE數(shù)據(jù)速率：1Mbps
BLE發(fā)射輸出功率：-2dBm
最大充電電流：600mA

方案原理

本方案主要由主控模塊與藍(lán)牙廣播模塊組成，主控芯片BP66FW1240具有4K ROM程序儲(chǔ)存空間，20個(gè)雙向I/O接口，以及多個(gè)定時(shí)器模塊供用戶使用，另外還具有I2C串口界面模塊用于數(shù)據(jù)通訊。在無線充電接收部分則內(nèi)建了高效率同步整流線路、線性充電功能、LDO和通訊調(diào)變功能。

?

?

（1）關(guān)鍵芯片

主控模塊對(duì)內(nèi)部電池充電方式有兩種，一種是直接通過USB-Type-C界面直接充電，另一種是通過符合QI協(xié)議的無線充電底座進(jìn)行充電。主控板連接的線圈可以將變化的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為交流電，MCU內(nèi)置的同步整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，且整流后OVP電壓不超過7V，繼而通過內(nèi)置的5V 30mA LDO電路。兩種充電方式都可以給線性充電電路以及MCU供電，集成的線性充電可以對(duì)電池進(jìn)行充電管理。

主控IC還通過控制DC/DC升壓電路對(duì)CH+，CH-(耳機(jī)充電觸點(diǎn))進(jìn)行控制，ETA1061為升壓轉(zhuǎn)換器。以12-bit A/D采集充放電電流數(shù)據(jù)，計(jì)算出當(dāng)前電池電量。U2霍爾元件則判斷收納盒開蓋狀態(tài)，開蓋時(shí)四顆LED燈顯示充電狀態(tài)以及SOC狀態(tài)。

藍(lán)牙廣播模塊主要元件為BC7161模塊，是一個(gè)完全集成的2.4GHz發(fā)射器，由小數(shù)N分頻合成器、可編程功率放大器(PA)和功率管理模塊組成。與主控IC通過I2C通訊，在開啟蓋子時(shí)將主控IC計(jì)算出的庫(kù)侖值進(jìn)行廣播。

（2）線圈選型

權(quán)衡成本和性能，選擇相應(yīng)的Rx線圈線材規(guī)格。大直徑線材或者雙股線材(兩條平行線)擁有高效率，但價(jià)格更高，本方案線圈實(shí)物見圖3，隔磁材料置于線圈下方，具體參數(shù)如下，
感量：14μH；
圈數(shù)：14 圈，單芯線；
尺寸：長(zhǎng)28.3mm，寬16.2mm；
線徑：0.33mm。

?

首先，需要確定LC網(wǎng)絡(luò)匹配，計(jì)算相關(guān)參數(shù)。方案中的Rx線圈網(wǎng)絡(luò)由串聯(lián)諧振電容C27、C28和并聯(lián)諧振電容C25、C26組成，可簡(jiǎn)化為下圖4所示，這兩個(gè)電容組成了一個(gè)雙諧振電路，其大小尺寸必須根據(jù)無線充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium，WPC)規(guī)范來正確選擇。

?

?

根據(jù)WPC電氣規(guī)范要求，諧振頻率必須為100kHz，雙諧振電路C1電容量計(jì)算公式為：
C1 = 1 / [(100kHz × 2π)2×LS’]
式中，LS’為互感感值，將線圈置于符合QI認(rèn)證的無線充電器上再進(jìn)行感值測(cè)量，即可得到互感值。經(jīng)測(cè)量，我們得出互感值LS’約為15.3μH。

C1確定后，計(jì)算雙諧振電路C2、LS時(shí)。此時(shí)，次級(jí)諧振頻率必須為1.0MHz，測(cè)量得出互感值LS約為14μH。
C2 = 1 / [(1MHz × 2π)2 × ( LS - 1/C1)]

下一步，要確定隔磁材料。線圈隔磁材料為鐵氧體片，其作用主要有兩個(gè)。
（1）為磁通量提供一條低阻抗通路，減少漏感現(xiàn)象提高效率。
（2）使用更少的匝數(shù)來實(shí)現(xiàn)更高電感的線圈，這樣便不會(huì)產(chǎn)生過高的電阻，提高能量傳送效率。

（3）PCB布線事項(xiàng)

圖5為主板PCB（上）及藍(lán)牙模組（下）布線圖。

?

?

其中，上左為主板PCB正面，上右為主板PCB反面。下左為藍(lán)牙模組PCB正面，下右為藍(lán)牙模組PCB反面。

芯齊齊BOM分析

本TWS耳機(jī)充電倉(cāng)方案BOM表由主控板和藍(lán)牙模組兩部分組成，元器件總數(shù)70個(gè)。

主控PCB BOM表元器件42個(gè)，包括BP66FW1240無線充電接收專用Flash MCU，兩個(gè)P溝道功率MOS管，一個(gè)USB_TYPE_C接口連接器，以及雙極性晶體管和阻容元件等。

?

?

藍(lán)牙模塊PCB BOM表元器件28個(gè)，包括BC7161低功耗藍(lán)牙芯片（U1）、HT7133-1電源芯片（U5）、ETA1061升壓轉(zhuǎn)換器（U2），兩個(gè)N溝道MOS管，一個(gè)32MHz石英晶體諧振器，需要注意的是對(duì)應(yīng)的匹配電容應(yīng)選擇12pF NP0類的MLCC元件。
?