真無線耳機（TWS 耳機）由于電池壽命更長、功能更強大、設(shè)計更吸引人以及價格更優(yōu)惠，因此繼續(xù)變得更具吸引力。隨著耳機制造商專注于小型化和設(shè)計改進，并迅速采用功能來增強用戶體驗，他們能夠在強大且競爭激烈的市場中吸引苛刻的消費者。

看看這些新的入耳式系統(tǒng)，乍一看，它們看起來像是相當(dāng)簡單的設(shè)備。相反，TWS 系統(tǒng)需要大量電子設(shè)備才能變得智能和用戶友好，如圖 1 中的系統(tǒng)概述所示。

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圖 1：系統(tǒng)概覽（：ams AG）

在日常使用中考慮 TWS 耳機時，有多種方法可以增強用戶體驗和輕松的用戶界面集成。TWS 系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的一個關(guān)鍵問題是播放時間，因為 TWS 耳機的電池空間尤其有限。可以達到 25-80mA/h 的典型電池容量，這導(dǎo)致播放時間為 2-4 小時。電池電量耗盡后，耳塞需要重新充電才能準(zhǔn)備好下次使用。

目前，的 TWS 耳機隨附一個用于為電池充電的充電座，而不是將電線連接到每個耳機。通訊座包括一個更大的電池，并充當(dāng)方便的隔間——因為它很容易丟失小耳機。這允許用戶在旅途中為耳塞充電，而無需依賴電源插座。這種支架/耳塞配置的目的是保證始終充滿電池。這避免了在鍛煉開始時意識到您的耳塞因為電池沒電而無法使用而感到沮喪！增強用戶體驗的另一個方面是耳塞的自動啟動和配對。當(dāng)耳塞已插入耳朵時，用戶不想等待設(shè)備配對或啟動。

為使標(biāo)準(zhǔn) TWS 耳機智能且用戶友好，關(guān)鍵要求是充電座和耳塞之間的數(shù)據(jù)交換。

如果通訊座感應(yīng)到耳塞的電池狀態(tài)，它會自動開始為耳塞充電。由于始終開啟的微控制器單元 (MCU) 會產(chǎn)生靜態(tài)電流消耗，因此需要進行持續(xù)充電過程，如圖 2 所示。相反，如果耳塞感應(yīng)到充電座為空，它可以通過以下方式自動通知用戶為通訊座的電池充電的藍牙通知。

在自動啟動和配對方面，智能連接也將是有益的。如果支架通知耳機隔間蓋已打開，則耳塞會從睡眠模式中喚醒并準(zhǔn)備 BT 配對過程，而無需按下耳塞上的按鈕即可啟用它們。

除了增強用戶體驗外，底座和耳塞之間的鏈接還可以實現(xiàn)更好的工業(yè)設(shè)計、軟件更新、耳塞個性化（名稱、EQ 數(shù)據(jù)）以及將音樂數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉?，這只是一些應(yīng)用示例市場上功能豐富且差異化的產(chǎn)品。

為了更清楚地了解技術(shù)實現(xiàn)，讓我們深入挖掘并更詳細地了解系統(tǒng)，如圖 2 所示。

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圖 2：詳細框圖（：ams AG）

在通訊座方面，重要的當(dāng)然是鋰離子電池和隨附的充電器，可借助連接到 USB 插座的標(biāo)準(zhǔn) 5V 電源為其電池充電。電源管理模塊——如 LDO 和 DCDC 轉(zhuǎn)換器——將所需的電源電壓分配給 MCU 和放置在底座中的其他設(shè)備。必須使用專用的 5V 電源為耳塞電池充電。永遠在線的 MCU 充當(dāng)通訊座的中央控制單元，通常連接到其他幾個傳感器（蓋子檢測、耳塞檢測）以及充電器以接收通訊座電池狀態(tài)更新。

在觸發(fā)事件（例如打開蓋子、插入耳機或耳機發(fā)送請求）后，它會交換所需信息或向耳塞發(fā)送命令/數(shù)據(jù)。

在耳塞端，拓撲結(jié)構(gòu)基本非常相似，但當(dāng)然還需要藍牙 SOC。耳塞中的 MCU 直接與底座側(cè)的 MCU 通信，來回交換信息。

傳感器方面，可能還有其他設(shè)備，例如用于耳塞檢測的接近傳感器、加速器傳感器、用于健身設(shè)備的心率傳感器、溫度傳感器和觸摸傳感器。

如圖 2 所示，需要多個引腳才能實現(xiàn)充電座和耳機的智能功能。這一事實伴隨著幾個缺點：為了達到較高的客戶接受度，TWS 解決方案不能比其有線競爭對手大得多。因此，在耳塞上放置額外的桿子總是會導(dǎo)致空間和功能之間的折衷。此外，如果需要在聽筒上放置多個桿，也會對設(shè)計和外觀產(chǎn)生負面影響。當(dāng)然，一種選擇是實施 BLE（藍牙低功耗連接）鏈接，但這會顯著影響物料清單成本并增加軟件實施工作量。

更優(yōu)雅的折衷方案是增強用于為耳塞充電（GND 和 5V）的標(biāo)準(zhǔn)和強制性兩極的功能。如果將兩線連接的功能擴展到允許充電并同時與耳機進行并行通信，則可以實現(xiàn)所有智能和用戶友好的功能，而不會在物理空間或設(shè)計預(yù)期方面造成不利影響。由此產(chǎn)生的用戶體驗可以通過專用應(yīng)用程序進一步改善，這得益于耳塞現(xiàn)在能夠向任何智能設(shè)備提供的信息負載。下面的列表中顯示了一些示例。

 

• 剩余電池狀態(tài)

   

   

• 電池狀態(tài)權(quán)

   

   

• 通訊座電池狀態(tài)

   

   

• 配對狀態(tài)

   

   

• 左右耳塞的名稱或是否匹配

   

   

• 溫度

   

   

• 檢查充電座的軟件更新

   

   

• 關(guān)于通訊座電池電量耗盡的通知信息（尤其是更換過的電池）

   

   

為了合并上面列出的功能，需要對圖 2 進行一些修改，但這會使系統(tǒng)稍微復(fù)雜一些。我們需要找到一種利用 5 伏電源信號線的方法，以便能夠通過單根電線傳輸電力和數(shù)據(jù)。

 

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圖 3：通過 5V 電源線進行數(shù)據(jù)通信的提案（：ams AG）

圖 3 顯示了一個可能的簡化時序圖，其中顯示了 5V 電源信號線，數(shù)據(jù)直接調(diào)制到信號線。主機端提供 5V 電源以傳輸?shù)娇蛻舳藶殡姵爻潆?，客戶端可能會調(diào)制可傳輸?shù)街鳈C端的數(shù)據(jù)。在理想情況下，還可以實現(xiàn)半雙工通信，其中客戶端和主機共享單根電源線以交替調(diào)制數(shù)據(jù)，以便能夠在底座和耳塞之間交換數(shù)據(jù)。

為了正確實現(xiàn)這種單線通信原理，需要各種新的系統(tǒng)模塊來替換圖 2 中所示的兩條串行通信接口信號線。在主機端，實現(xiàn)這種調(diào)制原理的簡單方法是用一個線圈來抑制高頻調(diào)制內(nèi)容和一個調(diào)制電阻來調(diào)制一個電壓降到5V電源信號線。除了線圈之外，還有一個數(shù)據(jù)調(diào)制器，可以通過一個簡單的電流吸收器來實現(xiàn)。

在設(shè)計此類系統(tǒng)時，重要的是要在調(diào)制電流和調(diào)制電壓電平之間找到一個良好的折衷點，以確保系統(tǒng)對外部電磁干擾不敏感。另一方面，使用的調(diào)制電流也會影響通信系統(tǒng)的整體功耗。除了調(diào)制電流之外，另一個棘手但重要的參數(shù)是它的轉(zhuǎn)換率。陡峭的電流斜坡可能會導(dǎo)致電磁輻射，從而導(dǎo)致手機、藍牙或 FM 收音機的接收問題。有些規(guī)定必須得到滿足，否則終產(chǎn)品可能無法獲得在某些市場銷售的許可。此外，調(diào)制器也是線路讀取器，旨在從客戶端設(shè)備讀取調(diào)制數(shù)據(jù)（圖 4 中以藍色表示），而綠色數(shù)據(jù)表示主機生成的要發(fā)送到客戶端的數(shù)據(jù)。

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圖 4：示例半雙工調(diào)制協(xié)議（：ams AG）

在這個提案中，每個幀被分成 64 個時隙，從主機到客戶端傳輸 30 位數(shù)據(jù)，反之亦然. 每個幀都以主機生成的同步脈沖開始，這是客戶端同步其時鐘所必需的——因為主機和客戶端不共享相同的時鐘，因此客戶端需要從數(shù)據(jù)流和同步脈沖。在幀的另一端，客戶端用主機的同步脈沖終止每個幀，以指示兩個設(shè)備同步。不用說，這個例子需要一些預(yù)同步序列，它可以是可能的主機檢測電路的一部分?？蛻舳松系倪@個塊是必要的，以確保數(shù)據(jù)調(diào)制僅在主機和客戶端都連接時發(fā)生。為此，一個可能的解決方案是主機開始發(fā)射脈沖以探索客戶端是否連接到電源終端。一旦啟動同步檢測器檢測到同步脈沖，它就可以喚醒耳塞內(nèi)的 MCU 以開始響應(yīng)同步脈沖，并指示有效客戶端的存在，從而開始相互同步。線路讀取器和數(shù)據(jù)調(diào)制器實現(xiàn)與主機端相同的目的——從主機讀取和傳輸數(shù)據(jù)。

線圈L CLIENT 和R MODC 用于阻止高頻內(nèi)容并將數(shù)據(jù)調(diào)制到電源線。此外，電阻器有助于獲得更好的信號完整性，但如果系統(tǒng)中有更長的信號線可用，這一點就更重要了。對于短信號走線，不需要傳輸線和 PCB 的阻抗匹配。在更仔細地觀察傳輸線時，另一個重要的考慮因素是直流電阻。為了減少 TWS 耳塞的充電時間，重要的是保持低直流電阻，以避免由于充電器輸入端的輸入電壓低而可能導(dǎo)致充電器電流降低的大壓降。特別是小尺寸線圈通常會提供高電阻，這與我們將電阻保持在水平的目標(biāo)背道而馳，

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圖 5：兩線電源和通信框圖（：ams AG）

當(dāng)然，TWS 系統(tǒng)的所有功能和外形因素都處于發(fā)展初期。然而，由于強大且快速增長的競爭市場以及不斷嘗試突破物理設(shè)計極限的苛刻客戶，它將很快達到頂峰。小型化與延長電池壽命相結(jié)合是確保 TWS 系統(tǒng)能夠在每個人的生活中找到用武之地的關(guān)鍵——也許甚至不會被注意到。這些關(guān)鍵要求導(dǎo)致了建議的實施結(jié)構(gòu)的普遍問題，如圖 5所示. 為所述通信接口（線路讀取器、時鐘提取單元、數(shù)據(jù)調(diào)制器、啟動同步檢測器）所需模塊的系統(tǒng)集成當(dāng)然不是一件容易的事?？紤]到小型耳塞內(nèi)部現(xiàn)有的尺寸限制，在終外形中使用分立元件的可能性極小。此外，系統(tǒng)繼承了一些復(fù)雜性，因此開發(fā)需要對模擬和數(shù)字設(shè)計有很好的理解和經(jīng)驗。對于許多耳機公司來說，付出的努力足以讓他們放棄并堅持添加額外極點的缺點，或者干脆不向他們的系統(tǒng)添加任何智能。