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tws耳機設計注意事項

科技 更新时间:2025-02-04 06:53:28

TWS耳機可以說是近幾年非常火爆的電子消費類産品了,随着TWS耳機的普及,目前在街道、公交、地鐵等場所已經能夠随處見到它的身影。

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同樣作為一款耳機類音頻産品,TWS耳機相較于有線耳機組成就複雜的太多了,需要衆多元器件的緊密結合,從而實現各項功能正常且有效、優質地運轉,因此也帶動了相關産業鍊的快速升級。

TWS耳機最主要的一項特征便是内置電池的加入實現了無需線材供電。而由于電壓的不平衡,在為充電盒内锂電池充電,充電盒電池放電為耳機電池充電,以及耳機電池放電供能的過程中,電源芯片和電感起到了重要的作用,此前我愛音頻網對電源芯片已經做了很多期的報道,今天再來為大家分享一下TWS耳機中電感的相關知識~

一、電感是什麼?

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電感是一組線圈,當通過交流電流時,在導線的内部及其周圍産生交變磁通,擁有儲存和釋放能量的功能。在電子線路中,電感線圈對交流有限流作用,它與電阻器或電容器能組成高通或低通濾波器、移相電路及諧振電路等;變壓可以進行交流耦合、變壓、變流和阻抗變換等。

二、電感在TWS耳機裡的作用是什麼?

TWS耳機由充電盒和耳機兩部分組成,因此内部電路也分為了兩個部分。目前主流的TWS耳機電路原理框圖包括充電倉/底倉框圖(圖1)和耳機端框圖(圖2)。

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圖1.充電倉應用框圖

首先我們先來看一下充電盒的電路原理圖。充電盒内置锂電池根據各家品牌商對于産品的定位不同,容量大小也有所不同。我愛音頻網從充電盒電池的拆解彙總中獲悉,目前的TWS耳機電池容量從200-2600mAh不等,其中絕大多數産品配備的是1000mAh以下的小容量锂電池。針對大電池容量的锂電池,需要用到快充芯片,快充芯片的外圍需要用到一顆功率電感作為儲能器件。

TWS耳機内锂電池電壓一般在3.4-4.4V,由于為耳機充電需要5V左右的電壓,因此便需要升壓電源芯片将電壓升至5V,在這一過程中升壓電源芯片的外圍則需要用到一顆功率電感作為儲能器件。

因此在充電盒内部,會用到快充充電芯片和升壓電源芯片外圍搭配的功率電感器,即需要1-2顆功率電感器。

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圖2.耳機應用框圖

在TWS耳機中,耳機端承載了各項功能的直接應用。從我愛音頻網主控芯片的拆解彙總中可以發現,目前的TWS耳機主平台選擇已經非常豐富,根據不同主平台的框架不同,内部電路會略有不同。

圍繞着各主平台,以及所需要的應用功能不同,比如支持觸摸操控的需要觸控芯片,支持壓感按鍵需要壓力感應芯片,支持入耳檢測的則需要入耳檢測芯片,支持主動降噪的需要降噪芯片,部分主平立或集成DSP、音頻編解碼、RF等等。

在TWS耳機中,為了能夠實現“随叫随到”的優質用戶體驗,衆多功能在未使用時多處于待機狀态。待機消耗續航,而續航又是TWS耳機一項重要的參數指标。為了提高待機效率,需要用到開關型DC/DC電源芯片進行電源轉換,而開關型DC/DC電源轉換芯片的外圍都需搭配一顆功率電感器作為儲能器件。

因此,根據不同産品的功能應用以及不同主平台的集成度差異,單個耳機内需要2-4顆功率電感。

從中可以發現,電感在TWS耳機中主要作為電源芯片的外圍儲能器件使用。根據不同的産品定位,每款TWS耳機中至少需要3-9顆甚至更多的功率電感。并且未來随着功能的增加,需要的功率電感數量會越來越多。

三、TWS耳機中電感類型

電感的種類非常繁多,也有很多不同的分類方式。比如按制作工藝分的,按應用分的,按屏蔽性分的,按結構分的等等。随着生産工藝的不斷叠代,有些比較老舊工藝的電感被逐漸淘汰,目前比較主流的電感包括疊層電感、繞線電感、一體成型電感和變壓器等幾個大類。

在TWS耳機的應用中,由于充電盒和耳機的不同電路結構,以及對于體積的限制,兩者在電感的使用上也有所不同。

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圖3.磁膠功率電感

在充電盒中使用的電感種類有磁膠NR電感、繞線CD電感、一體成型電感。其中使用較為普遍的為磁膠電感(如圖3),功率密度較為适中,屏蔽性表現較好。

因為底倉的升壓電路通常為低功耗升壓芯片,其功耗足夠低,通常工程師會将其設計成輸出常開。但升壓芯片進入超低功耗模式時,會降低開關頻率,而開關頻率如出現在20-20KHz頻率範圍内,此為人耳可聽範圍,功率電感的銅線會因機械振動,帶動磁芯,以及帶動PCB闆面進行震動,由此會有一定概率會聽到“呲呲”聲,也被稱為電感的嘯叫聲。

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圖4.一體成型電感

嘯叫聲在一定程度上會影響用戶的使用體驗,因此一些大牌廠商多數會采用全磁屏蔽的一體成型功率電感(如圖4)。功率密度大,在同樣的面積内,電流更大,效率更高。其工藝結構,磁屏蔽效果更為出色,并能有效的改善嘯叫的問題。

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圖5.精密繞線電感

在耳機中會使用到的電感種類較多,有精密繞線電感,大電流疊層電感,磁膠NR電感等。其中精密繞線電感(如圖5)兼顧電流大、體積小、高效率等特性使用最為普遍,但同時也有一些小的缺陷(如圖6)。

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圖6.普通精密繞線應用示意圖

在應用的過程中,開放式的感應磁場易幹擾周圍器件,并且電感底部不能走線;低功耗模式下,個别情況也會出現如充電盒一樣的嘯叫問題;非全屏蔽式的結構在貼片過程中有小概率的銅線受損風險。

為了解決這些問題,便出現了通過塗膠包裹的全磁屏蔽精密繞線電感。因為其屏蔽層含有磁粉,能增強磁導率,從而增強其産品特性從而能夠更好地提升效率。并且因為其全磁屏蔽的結構,有效的降低了對于周圍電路的幹擾,防止了線圈在貼片過程中受損。包裹塗層也有效的降低了雜音,防止嘯叫的發生。磁力線是水平方向,底部也方便走線。(如圖7)

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圖7.全磁屏蔽電感應用示意圖

但由于制作工藝難度,目前市場上主要的産品多為普通精密繞線電感,少部分使用半磁屏蔽,即電感底部未進行塗膠包裹。這雖然在一定程度上也解決了精密繞線電感的部分問題,但相較于全磁屏蔽還不夠完善。

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圖8.SDHL全磁屏蔽功率精密繞線電感

全磁屏蔽精密繞線電感國際市場上隻有日本太誘一家,國内市場三體微電子成為首家突破這一工藝難度的電感廠商,推出了全磁屏蔽功率精密繞線電感SDHL Series産品(如圖8),并已進入量産階段。

三、我愛音頻網總結

電感作為目前TWS耳機中的一個重要器件,随着産品功能的不斷豐富,單個耳機需要的電感數量正在逐漸增多。并且随着TWS耳機銷量的持續上漲快,整體TWS耳機市場需求也有着非常大的上升空間。

在TWS耳機的電感選擇上,目前市場上主要有一體成型電感、磁膠電感、精密繞線電感(普通磁開路、半磁屏蔽、全磁屏蔽)等,需要根據具體需求,選用最适合自己的電感器。

另一方面,目前TWS耳機的主控平台性能和功能的提升,需要電感數量的增加與TWS耳機内部寸土寸金的空間形成了矛盾,各家品牌商都在積極尋求體積更小,但同時又要具備優異性能的功率電感産品,能夠首先找到突破點的電感廠商将在TWS耳機新一輪的增速中獲益。

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