TWS蓝牙耳机充电仓设计方案

TWS蓝牙耳机一直很受欢迎，与之匹配的耳机母体——充电仓也非常重要。充电仓可对TWS耳机及自身进行充电管理、显示电量，将SOC(电池的荷电状态)传到手机APP。方案休眠电流低至0.5µA，符合收纳盒小巧空间需求，以及低待机功耗等节能要求。

方案特点

本方案基于BP66FW1240无线充电接收专用Flash MCU，组合了低功耗蓝牙芯片BC7161和电源芯片HT7133-1，可实现对自身以及耳机进行充放电管理，自带的软件库仑计可计算SOC(电池的荷电状态)，同时通过BC7161蓝牙模块将SOC传到手机APP。

 

图1. 充电仓实物及SKD。

 

电量显示有两种方式：LED灯显示以及蓝牙APP显示。LED灯显示通过点亮灯的个数来显示电量，0~40%电量亮1个灯，40~60%电量亮2个灯，60~80%电量亮3个灯，80~100%电量亮4个灯。

LED灯除了可显示电量外，还可通过流水灯效来表示充电仓的充电状态。蓝牙APP显示需要在手机上预装对应的蓝牙APP，充电仓盖子开启时通过APP进行蓝牙连接即可观察到BC7161模块广播出来的电量数据。

本方案基本特性如下：  
工作电压：DC3.8V(锂电池供电)  
工作电流：待机电流12µA，
耳机充电电流：340mA
温度条件：-40℃~85℃  
收纳盒充电电流：140mA
LDO输出电压：5V
BLE工作频率：2426MHz
BLE数据速率：1Mbps
BLE发射输出功率：-2dBm
最大充电电流：600mA

方案原理

本方案主要由主控模块与蓝牙广播模块组成，主控芯片BP66FW1240具有4K ROM程序储存空间，20个双向I/O接口，以及多个定时器模块供用户使用，另外还具有I2C串口界面模块用于数据通讯。在无线充电接收部分则内建了高效率同步整流线路、线性充电功能、LDO和通讯调变功能。

 

图2. 原理图

 

（1）关键芯片

主控模块对内部电池充电方式有两种，一种是直接通过USB-Type-C界面直接充电，另一种是通过符合QI协议的无线充电底座进行充电。主控板连接的线圈可以将变化的磁场转换为交流电，MCU内置的同步整流电路将交流电转换为直流电，且整流后OVP电压不超过7V，继而通过内置的5V 30mA LDO电路。两种充电方式都可以给线性充电电路以及MCU供电，集成的线性充电可以对电池进行充电管理。

主控IC还通过控制DC/DC升压电路对CH+，CH-(耳机充电触点)进行控制，ETA1061为升压转换器。以12-bit A/D采集充放电电流数据，计算出当前电池电量。U2霍尔元件则判断收纳盒开盖状态，开盖时四颗LED灯显示充电状态以及SOC状态。

蓝牙广播模块主要元件为BC7161模块，是一个完全集成的2.4GHz发射器，由小数N分频合成器、可编程功率放大器(PA)和功率管理模块组成。与主控IC通过I2C通讯，在开启盖子时将主控IC计算出的库仑值进行广播。

（2）线圈选型

权衡成本和性能，选择相应的Rx线圈线材规格。大直径线材或者双股线材(两条平行线)拥有高效率，但价格更高，本方案线圈实物见图3，隔磁材料置于线圈下方，具体参数如下，
感量：14µH；
圈数：14 圈，单芯线；
尺寸：长28.3mm，宽16.2mm；
线径：0.33mm。

 

图3. 线圈实物

首先，需要确定LC网络匹配，计算相关参数。方案中的Rx线圈网络由串联谐振电容C27、C28和并联谐振电容C25、C26组成，可简化为下图4所示，这两个电容组成了一个双谐振电路，其大小尺寸必须根据无线充电联盟(Wireless Power Consortium，WPC)规范来正确选择。

 

图4. LC网络匹配

 

根据WPC电气规范要求，谐振频率必须为100kHz，双谐振电路C1电容量计算公式为：
C1 = 1 / [(100kHz × 2π)2×LS’]
式中，LS’为互感感值，将线圈置于符合QI认证的无线充电器上再进行感值测量，即可得到互感值。经测量，我们得出互感值LS’约为15.3µH。

C1确定后，计算双谐振电路C2、LS時。此时，次级谐振频率必须为1.0MHz，测量得出互感值LS约为14µH。
C2 = 1 / [(1MHz × 2π)2 × ( LS - 1/C1)]

下一步，要确定隔磁材料。线圈隔磁材料为铁氧体片，其作用主要有两个。
（1）为磁通量提供一条低阻抗通路，减少漏感现象提高效率。
（2）使用更少的匝数来实现更高电感的线圈，这样便不会产生过高的电阻，提高能量传送效率。

（3）PCB布线事项

图5为主板PCB（上）及蓝牙模组（下）布线图。

 

图５. PCB布线图

 

其中，上左为主板PCB正面，上右为主板PCB反面。下左为蓝牙模组PCB正面，下右为蓝牙模组PCB反面。

芯齐齐BOM分析

本TWS耳机充电仓方案BOM表由主控板和蓝牙模组两部分组成，元器件总数70个。

主控PCB BOM表元器件42个，包括BP66FW1240无线充电接收专用Flash MCU，两个P沟道功率MOS管，一个USB_TYPE_C接口连接器，以及双极性晶体管和阻容元件等。

 

图6. TWS耳机收纳盒方案BOM表

 

蓝牙模块PCB BOM表元器件28个，包括BC7161低功耗蓝牙芯片（U1）、HT7133-1电源芯片（U5）、ETA1061升压转换器（U2），两个N沟道MOS管，一个32MHz石英晶体谐振器，需要注意的是对应的匹配电容应选择12pF NP0类的MLCC元件。