我爱音频网丨TWS耳机无线充电,如何更好地过WPC Qi认证?

摘要 - 

自从苹果发布AirPods后,TWS耳机摆脱了原来有线缠绕的麻烦,彻底改变了用户的使用体验。其中TWS盒子无线充变成了一个用户特别喜爱的功能,盒子充电不再需要额外的线材,只是把它轻轻放在无线充电盘上,就可以实现充电,体验确实无与伦比。

但同时,TWS盒子无线充电功能的设计也有诸多重点难点问题,比如无线充线圈的温升问题,充电自由度问题,WPC Qi认证问题等等。特别是其中的WPC Qi认证问题,是广大工程师面临的一个难点。

那么,今天我们就专门针对TWS盒子的无线充过认证问题做一个探讨。(本文不涉及具体的认证流程问题,只是针对认证中的重难点问题做探讨)


- 通过Qi认证的重要性 -

对客户而言,能过Qi认证,产品就可以打上Qi logo,更加畅销,同时,产品能过Qi认证,意味着产品已经通过了250多台无线充发射的兼容性测试,代表产品更加安全可靠,所以客户更有意愿去过Qi认证。

对工程师而言,产品要过符合性测试以及250多台无线充发射的兼容性测试,意味着TWS产品从设计之初就要考虑过认证的问题,还需要考虑产品认证和用户体验的平衡,对产品的设计是一个考验。


- Qi认证中的重难点问题 - 

TWS盒子无线充过认证需要先测试符合性,再测试兼容性。下文将依序讨论关于符合性与兼容性测试的常见问题。


01 关于测试符合性的两个问题

1.1 提前确定三大因素 

在测试符合性之前,一定要先和客户沟通,把线圈的尺寸,磁吸位置以及耳机盒子金属转轴确定下来。这三个因素会极大影响后续认证,并且一旦客户ID确定好了就很难变更了,所以需要提前确定好这三个部件。


对于线圈尺寸,一般TWS盒子无线充会放置在侧面或底部,是一个比较小的长方形,椭圆形或者圆形线圈。

如果是长方形或椭圆形线圈,建议尺寸外径长30mm及以上,宽度20mm及以上,线圈外径宽度低于17mm。过认证会比较困难或有的根本过不了认证,主要原因是线圈越窄,和Tx的耦合系数越小,那么在测试兼容性时就会有Tx由于耦合能量不够,而不能正常起机或者产生线圈耦合变弱而导致的解调问题,自由度问题等。

需要指出的是,如果客户TWS ID确实不能改变,可以考虑用弧形线圈,只要能保证弧形线圈的投影面积尺寸满足上述要求即可。

如果是圆型线圈,我们建议的线圈外径是27mm及以上。


对于金属转轴,对认证的影响主要体现在FOD(异物检测)以及金属发热。客户一般有两种选择:针状转轴,这种对FOD影响很小,可以忽略。大金属转轴很容易导致FOD。如华为的Freebuds 3,为了避免金属大转轴的影响,把线圈和转轴放在了TWS耳机的两面。如下如所示为金属大转轴对磁场以及损耗的影响。

如果产品的ID设计把TWS大转轴与线圈放在同一面,那么建议:

                1. 转轴离线圈边沿在5mm以上; 
  1.  2. 转轴结构金属尽可能放小; 
  2.  3. Rx线圈的屏蔽层放大,挡住金属结构。


  1. 图一:TWS线圈附近磁场分布   

图二:TWS金属大转轴损耗分布


耳机和TWS盒子之间会加磁吸,磁吸会降低无线充效率,导致发热,还会影响无线充的FOD以及ASK信号解调。客户一般不会牺牲太多的磁吸吸力来降低用户体验以及耳机掉落问题,最好的办法是设计之初就让磁吸远离无线充线圈。建议磁吸离Rx线圈的距离在5mm以上。


1.2 关于FOD的调节

在测试符合性时,时序一般没有太多问题,最大问题出在FOD上,下图为用miroprocess设备测试的Tx发射功率,TWS Rx接收功率,以及功率差。

 图三:用miroprocess测试的TWS发射功率,接收功率以及功率差


从上述功率曲线可以看出,TWS Rx报告功率和Tx发射功率有空载,到重载这一个过程。

  • 空载条件下,可以通过设置dummy load 以及offset来修正REP曲线。

  • 重载条件下,通过修正FOD的offset 以及Gain可以修正REP曲线。(如伏达的低功率Rx IC NU1680, 可以通过I2C或者I2C外挂电阻来设置FOD的offset以及Gain)。Tx发射功率减去TWS Rx接收功率,功率差要在0-350Mw以内,否则就会报FOD,不能通过符合性测试。


如Case①,在起机时,Tx与Rx的功率差为负值,就会报FOD,那么改善建议:

  1. 1. 增大Dummy load;

  2. 2. 增大offset。


Case②,在重载条件下,Tx-Rx功率差在0-350Mw以内,就不需要额外调整FOD的offset参数以及Gain参数了。


如果TWS 耳机放置在Tx充电盘上后,Rx报告功率出现抖动,那么也容易造成Tx-Rx的功率差超过限制值,仅仅通过调整FOD的offset值以及Gain值是很难调整到限制值以内的。这时就需要首先把想把TWS Rx的报告功率调试稳定。然后调节FOD offset以及Gain。


02 关于测试符合性的两个问题

TWS 盒子的兼容性测试是WPC Qi认证测试的重点也是难点,毕竟TWS耳机要通过250多款Tx的测试。以下是一些常见的兼容性(IOP)测试问题:

2.1 —— TWS Rx起机能量不够,不能正常起机

如下图所示是一台TWS耳机无线充Rx Vrect起机时的波形(图四)。当Rx放置于Tx上,不能正常起机时,可以用示波器抓取Rx Vrect电压波形,如果Vrect电压低于Rx IC的UVLO阈值,那么就说明Rx的耦合能量不足。

图四:TWS Rx起机时的Vrect电压不足 


解决方案:

1. 增大线圈面积(线圈投影面积);

2. 加大Rx线圈感量;

3. 选取UVLO低的Rx IC方案。


2.2 —— TWS Rx放置在Tx上时,由于Tx解包不良导致的timeout断充(图五)

Tx解包不良一般比较容易出现在起机阶段。在起机阶段,TWS盒子的拉载以及耳机的拉载拉载会导致Rx承受较大动态负载,如果系统参数设置不合理或耦合较弱,就会影响到解包。

图五:无线充发射端解不到包timeout断充



解决方案:

  1. 优化谐振腔参数LC;

  2. 调整comm电容;

  3. 设置拉载时序,如软起动。避免不规则的拉载导致解包问题。


2.3 —— TWS Rx放置在Tx上时,Tx报FOD导致的兼容性问题

FOD一般分为ping阶段FOD和PT阶段FOD。Ping阶段FOD相对较少发生,比如伏达的低功率Rx NU1680,在ping阶段加入了软起动功能,在ping阶段,NU1680内部Dummy load会逐步上升,避免了ping阶段触发FOD。在PT阶段,如果用Sniffer或示波器抓到Vrect发送REP包后就断充(图六),那么这时就触发了PT阶段的FOD。这时就需要检查造成FOD的原因? 是FOD Gain或者offset设置不合理还是起机时序导致的Tx与Rx功率差过大造成FOD。

图六:触发PT阶段FOD而断充 

解决方案:
  1. 测试起机阶段Rx的Iout和Vrect电压,优化拉载时序。保证REP发送前Vrect是稳定的;

  2. 分段配置FOD gain以及offset参数。


2.4 ——TWS Rx起机阶段触发了Vrect OVP保护功能

当TWS RX在Tx上迅速移动时,有时会在Rx Vrect引脚上产生一个较高的电压,一旦这个电压触发到Vrect的OVP,那么Rx就会断充。


解决方案:

  1. 加大起机阶段的Dummy load,对Vrect加以钳位;

  2. 做2级OVP功能。如伏达的低功率Rx NU1680,做了2级OVP保护功能,第一级是软件OVP,Vrect电压触发到后,会密集发送CEP包将输入功率降下来,避免过早触发硬件OVP而断充,另外一级是硬件OVP,一旦触发就,开sink,发送EPT,关断Tx。




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