打造真無線健身聽戴式裝置—第 3 篇：無線電源管理

編者說明：雖然健身聽戴式裝置擁有極大的潛力，但是在三個關鍵領域面臨著重大設計難題，即生物測量、音訊處理及無線充電。本系列共有三篇文章，將逐一探討這些難題，並向開發人員展示如何利用超低功率元件，更有效地打造健身聽戴式裝置。第 1 篇說明心率和 SpO₂ 的生物測量。第 2 篇探討音訊處理。本文是第 3 篇，將探討健身聽戴式裝置設計的電源管理和無線充電解決方案。

電源最佳化已成為大多數應用領域的基本需求，但健身聽戴式裝置有比傳統「無線」耳塞式耳機更獨特的考量。傳統的無線耳塞式耳機使用藍牙連線來串流音訊，但和電池保有實體接線，電池則通常與音量控件和電源連接器一起密封在直插封裝中。相較之下，真無線設計完全沒有實體接線，因此產品設計人員需要在每個耳塞裡內建充電式電池。

因此，系統工程師必須找到適當的設計解決方案，既要符合嚴格的封裝要求，還要確保延長電池續航力，並提供使用者簡便的電池充電方法。

本文將探討如何有效地延長電池續航力、簡化電池的充電過程，以及為這些設計中的生物感測、音訊和處理器元件提供多個供電電軌。接著會簡述無線充電的工作原理，之後將介紹標準型無線電力解決方案。開發人員能利用這些解決方案快速實作精密的真無線產品，進而充分利用大量快速發展的第三方相容充電平台。我們將會介紹 Maxim Integrated、Analog Devices、STMicroelectronics 以及 Texas Instruments 等廠商提供的解決方案。

如何管理健身聽戴式裝置中的電源

如本系列前兩篇文章所述，工程師可以利用超低功率系統單晶片 (SoC) 生物感測器、音訊和藍牙裝置，將功耗降至最低並延長電池續航力 (圖 1)。

圖 1：在真無線健身聽戴式裝置設計中，高度整合的電源管理積體電路 (PMIC) 及電量計 IC 能為電池和電源管理提供基礎，僅需要無線電源即可為電池充電。(圖片來源：DigiKey，基於 Maxim Integrated 的原始資料)

除具有豐富的功能外，這些 SoC 也整合專屬的電源管理功能，能用多種方式利用低功率工作模式、時脈或電壓閘控能力或者內部電壓穩壓器，從單一電源供電給不同的電源域。雖然這些功能有助於簡化電源最佳化設計的實作，但通常也會要求每個裝置須有多個合適的電軌。例如，本系列文章之前探討的 SoC (Maxim Integrated 的 MAXM86161 生物感測器；MAX98090 音訊編解碼器；以及 ON Semiconductor 的 RSL10 藍牙微控制器)，就具有多種不同的供電需求 (表 1)。

表 1：健身聽戴式裝置設計中各主要 SoC 的電壓供應範圍。(表格來源：DigiKey，基於 Maxim Integrated 和 ON Semiconductor 的原始資料)

Maxim Integrated 的 MAX77654 等多重電軌 PMIC，並不是一組單獨的電壓穩壓器，而是更簡便的單晶片解決方案。MAX77654 專為聽戴式裝置等空間受限的低功率應用而設計，在 2.79 mm x 2.34 mm 的封裝中，提供三個升降壓切換式穩壓器輸出和兩個低壓降 (LDO) 穩壓器，並具有 6 mA 低工作電流和 0.3 μA 關斷電流。開發人員能以 50 mV 為步階，分別對 MAX77654 的三個升降壓穩壓器進行編程，以提供 0.8 V 至 5.5 V 的穩壓輸出。同樣地，也能以 25 mV 為步階，對兩個 LDO 穩壓器輸出進行編程，以提供 0.8 V 至 3.975 V 的輸出。

此裝置以單一電感多重輸出 (SIMO) 升降壓穩壓器為基礎，僅需添加幾個額外的元件，即可提供完整的電源管理解決方案，有助於縮減 BOM 和設計覆蓋區 (圖 2)。

圖 2：Maxim Integrated 的 MAX77654 PMIC 可簡化開發過程，能以兩個 LDO 和三個升降壓穩壓器提供多個可編程的電壓軌，且因為裝置採用 SIMO 技術，因此只需要單個電感。(圖片來源：Maxim Integrated)

在完整的系統中，MAX77654 的開關控制器和電源定序器會根據應用所需的特定順序，管理內部電源狀態的轉換及時機，以啟動 (或關閉) 電軌。例如，在設計健身聽戴式裝置時，開發人員可對裝置進行編程，確保其依照順序為各個 SoC 和子系統施加電源，以降低峰值電流需求或避免人為音訊。

電池管理

除了系統電源管理功能外，MAX77654 還整合了完整的鋰離子電池充電器，可從包括 USB 在內的多種來源提供 95 mA 至 475 mA 的可編程恆定電流充電率。Maxim 的智慧電源選擇器技術可依據需求自動將電源從輸入電源 (CHGIN) 切換到電池 (BATT) 和系統 (SYS)。完成充電後，智慧電源選擇器會自動從輸入源斷開電池連接。

MAX77654 提供大量的狀態暫存器，可讓開發人員全面監控裝置的運作。開發人員可設定中斷控制暫存器，即可對裝置進行編程，提醒主機處理器注意多種運作狀況和故障，包括系統過壓與欠壓、溫度、充電錯誤和電池故障。

不過，若是消費性產品，開發人員一般會將 PMIC 和 Maxim Integrated 的 MAX17260 等電池電量計 IC 搭配使用。MAX17260 採用 Maxim 的 ModelGauge m5 電池壽命預測演算法，可在運作期間動態預估剩餘電量，並在充電期間預估充電完成時間。開發人員可以對裝置進行編程，確保在運作期間的剩餘電量低於指定閾值時向主機處理器發出中斷指令。在健身聽戴式裝置中，開發人員可以利用此功能搭配一系列策略，輕鬆達到應用功能的降級，例如減少生物感測器的心率更新次數或降低音訊頻寬，最終在電量降至可持續操作的限值之前提醒使用者。

無線充電

MAX77654 PMIC 和 MAX17260 電量計 IC 搭配使用，即可提供有效的電池管理解決方案。要打造真無線健身聽戴式裝置，最後一大挑戰是提供適當的充電來源。依照定義，此來源不可利用有線路電源配接器或 USB 的傳統有線做法。對此，市面上的無線電力技術和相關矽解決方案可提供現成的解決方案。

利用主次線圈之間的緊密耦合感應，或以同一諧振頻率運作的線圈對之間的鬆散耦合諧振感應，都可提供實用的無線電力做法 (參閱《感應與諧振式無線充電的比較》)。

多年以來，感應式無線電力一直廣泛用來對電動牙刷等消費性產品，或是助聽器等醫療產品進行充電，至今已達到一定的成熟度和裝置支援水準，即使用於最先進的電子產品，也不失為安全的選擇。因此原則上，開發人員若要實作無線電力充電器，只需使用 Analog Devices 的 LTC4124 無線鋰離子充電器，從感應耦合的線圈接收電力到 Analog Devices 的 LTC6990 壓控式振盪器 (VCO) 驅動的發射器線圈即可。若要設計完整的無線電源供應器，除了 LTC4124 接收器和 LTC6990 VCO 外，僅需要再使用一個 MOSFET、若干被動元件和一對線圈，例如 Würth Elektronik 的 760308101216 7.2 µH 接收器 (RX) 線圈和 Würth Elektronik 的 760308103206 7.5 µH 發射器 (TX) 線圈 (圖 3)。

圖 3：使用 Analog Devices 的 LTC4124 無線電力接收器和 LTC6990 壓控式振盪器後，開發人員只需再搭配幾個元件，就能實作自行研發的完整無線電源供應器。(圖片來源：Analog Devices)

早期的無線電力解決方案雖然能讓促成簡易的設計，但已經不太適合用於消費性產品，原因在於使用者已迅速接納以無線充電聯盟 (WPC) Qi 規格為基礎的標準無線電力產品 (請參閱《符合 Qi 標準的無線充電》)。如上所示，這種簡單的設計專為自行研發的無線產品及相關充電座而設計，缺乏一些關鍵功能，例如接收器和發射器間的通訊、異物偵測 (FOD) 以及 WPC Qi 規格提出的其他需求等。

除了可促成更複雜的無線充電過程以外，Qi 相容無線電力的快速普及也推動了低成本無線電力發射器平台的興起。因此，在開發健身聽戴式裝置這種需要無線電力的消費性產品時，開發人員可以預期潛在使用者已經具有 (且偏好使用) 現成的無線充電座，因此能將主要精力放在設計相容的無線電源接收器上。

實際限制

然而，從設計角度而言，若要利用一般市售的無線充電產品，則需要根本上的轉變。據粗略估計，要達到高效的耦合和電力傳輸，發射器和接收器線圈必須相配得宜並尺寸相近，而且次線圈對主線圈的電感比通常為個位數。因此，為了要裝入健身聽戴式裝置而必須採用超小直徑的線圈，如此才能滿足使用者對快速充電時間的期望，但也會讓無線電力系統的設計複雜化。此外，對於線圈之間的對齊和放置，容差要求非常嚴格，因此產品設計必須使用客製化耳塞盒或其他固定裝置，以便耳塞線圈始終緊貼著充電線圈。

礙於諸多難題，真無線耳塞式耳機產品通常會採取更務實的方法，將 Qi 相容的無線接收器內建到耳塞盒內。當耳塞放入耳塞盒後，每個耳塞內建的引腳會與耳塞盒底部的電源觸點接觸。將耳塞盒放在相容的第三方無線充電座上，電力會以無線方式從充電座流到耳塞盒的接收器，在由此處經由觸點流至耳塞。若使用此方法，實作健身聽戴式裝置的無線充電將變得簡單許多。許多 Qi 相容的無線電力接收器都能支援此做法。

無線接收器解決方案

幸運的是，開發人員可以找到許多專為支援 WPC Qi 標準而設計的無線電力接收器。實際上，市面上的裝置遠遠超出標準無線電力傳輸的最低支援需求，並且提供一些可簡化整體系統設計的功能。例如，與許多同類裝置一樣，STMicroelectronics 的 STWLC03 無線電力接收器能輕鬆停用設計的無線充電，可讓使用者透過外部的電源配接器或 USB 連接供電給充電盒 (圖 4)。

圖 4：與其他同類裝置一樣，STMicroelectronics 的 STWLC03 無線電力接收器可在偵測到外部電源時輕鬆停用無線電力傳輸。(圖片來源：STMicroelectronics)

許多 Qi 相容的無線電力接收器還整合了電池充電功能，能讓開發人員在耳塞盒中加入電池，以便在無法或不方便使用無線充電時提供備用電源。例如，Texas Instruments 的 BQ51050B 支援三步驟充電順序，包括預充、恆定電流快充以及恆定電壓快充，只需簡單地連接到電池組即可 (圖 5)。

圖 5：Texas Instruments 的 BQ51050B 無線電力接收器只需少許的額外開發作業，即可支援電池組充電。(圖片來源：Texas Instruments)

除了支援外部電源和電池充電外，Qi 相容的無線電力接收器還可以支援新興的點對點無線充電情況，即依靠一個行動產品 (例如智慧型手機) 為另一個產品進行無線充電。例如，Maxim Integrated 的 MAX77950 既支援現有的無線電力用途，也支援點對點充電，只需極少的額外開發工作即可達成 (圖 6)。

圖 6：除了支援較為傳統的無線充電配置外，Maxim Integrated 的 MAX77950 無線電力接收器還支援點對點無線電力傳輸。(圖片來源：Maxim Integrated)

無線電力開發支援

雖然無線電力的功能及相關裝置持續演進，但開發人員也有現成的開發支援資源可用，包括開發板、設計指南和應用說明。例如，本文提到的每種無線電力裝置都附有相關的開發套件。

針對 LTC4124 無線電力接收器，Analog Devices 就提供一系列含有發射器板和接收器板的套件，能在接收的充電電流逐漸升高的情況下展現無線電力傳輸功能的實力。Analog Devices 的 DC2769A-A-KIT 和 DC2769A-B-KIT 套件可分別接受 10 mA 和 25 mA 的充電電流。發射器板以之前所述的 LTC4124 設計為基礎 (參見圖 3)，並採用 Analog Devices 的 LTC6990 VCO，而接收器板則採用 Analog Devices 的 LTC4124 無線接收器。為了展現更高的充電器電流，Analog Devices 的 DC2770A-A-KIT 和 DC2770A-B-KIT，分別提供 50 mA 和 100 mA 充電電流，並採用 LTC4124 架構的接收器板，但每個套件的發射器板，則是以 Analog Devices 的 LTC4125 無線電源發射器為基礎。

STMicroelectronics 針對其裝置提供 STEVAL-ISB036V1 評估板，以用於 STWLC03 無線電力接收器；Texas Instruments 則提供 BQ51050BEVM 評估板，以支援 BQ51050B 無線電力接收器的開發；而 Maxim Integrated 則針對 MAX77950 無線電力接收器，提供 MAX77950EVKIT 評估套件。除了評估套件硬體之外，各製造商還提供全套設計資源，通常包括 BOM、線路圖以及實體設計佈局指南，供開發人員打造客製化設計。

在軟體開發上，通常有提供驅動程式和評估軟體可立即下載，或可申請提供。例如，Maxim Integrated 的 MAX77950 評估套件軟體包可讓開發人員監測和修改 MAX77950 暫存器與配置 (透過 Windows® 10 電腦到 MAX77950EV 套件的 USB 連接)，且套件中的整合式微控制器可透過共用的 I²C 匯流排來更新 MAX77950 (圖 7)。

圖 7：Maxim Integrated 的 MAX77950 評估套件軟體包和相關的文件，可協助開發人員逐步瞭解 MAX77950 的各種裝置設定，探索不同裝置配置對無線電力效能的影響。(圖片來源：Maxim Integrated)

結論

真無線健身聽戴式裝置的設計，若要實作更高效的系統，不僅會讓設計人員面臨挑戰，也促使其使用進階的無線充電技術。如本文所述，高度整合的 PMIC 和電量計 IC 可提供有效的電源和電池管理解決方案。在無線電力層面，市售的標準型無線電力裝置，可在開發人員實作健身聽戴式產品的無線充電功能時，為其提供眾多選擇。使用這些標準型解決方案，開發人員就能快速實作精密的真無線產品，還能充分利用大量快速發展的第三方相容充電平台。