产品
近年来，TWS无线耳机整体市场持续快速增长，市场越来越火爆，同时，包括智能终端、蓝牙技术、芯片技术的不断提升发展，进一步加快了TWS无线耳机的产品普及。而各个厂家都推出了自己的解决方案，本文介绍美信的独有方案。
系统架构
充电盒采用3.7V@125mAH 锂电池供电，通过USB 对其充电，利用美信高性能的电量计芯片MAX77818对电池进行管理，由采用美信SIMO技术的集成电源管理芯片MAX17270 对系统供电。主控系统采用美信低功耗的Cortex M4 处理器MAX32660。
耳机采用3.7V小型锂电池供电，由充电盒的PLC MAX20340对耳机进行充电并通信，低功耗的电量计芯片MAX17260主要对电池进行管理测量，由采用美信SIMO技术的集成电源管理芯片MAX77651对系统供电。主控系统用同款处理器MAX32660。同时配备了音频codec MAX98090，方便语音处理和测试。这个Codec只是为了说明效果，验证方案的可行性。
整个电路板的尺寸（包括所有元件）是充电盒：46mm*46mm，耳机：58mm*46mm，因为所有器件都有小封装尺寸，实际产品尺寸可以做到很小，以满足实际耳机尺寸要求。
图1 设计系统框图
图2是本设计的电路实物，我们所有测试都是基于它进行的。
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图2 MAXREFDES1263
数据通信和能量传输
TWS 耳机中，充电盒与耳机的数据传输和能量传递很关键。目前市场上真无线耳机常常使用3个(或更多)引脚与其充电盒连接，用于传输数据和电源。额外的引脚则需要更大的空间，同时也会导致可靠性隐患。此外，耳机电池充电期间常采用固定电压，该方法会引起有害发热。
本设计采用美信专有的MAX20340来实现耳机与其充电盒之间的电源和数据传输，将数据信号叠加到电源上，这样接口仅使用两个引脚，有效减少故障点数量，从而提高可靠性。MAX20340为通用的双向直流电力线通信 (PLC)管理IC，最大码率为166.7kbps，支持最大1.2A充电电流，它的一个显著特点是能同时实现充电和数据传输。MAX20340具有从机检测电路，当PLC主机检测到电力线上出现PLC从机时，该电路向系统产生一个中断。该功能允许系统保持在低功耗状态，直到连接上某个从机器件。这一特点很合适充电盒应用。
图3 MAX20340 PLC数据通信波形图
MAX20340的许多特性，例如主/从模式、I²C地址、双/单PLC从机模式以及PLC从机地址，都可以通过引脚配置，从而方便简化设计。器件采用9焊球、0.4mm焊球间距、1.358mm x 1.358mm晶圆级封装(WLP)。
图4 MAX20340结构框图
图5 MAX20340配置流程图
MAX20340工作流程
在开始时，PLC线上处于钳位状态，这样可以确保安全。上电后，设备首先进行初始化，主要是检测设备配置电阻值（RSEL），从而确认设备的工作模式（主机/从机模式，从机数量），设备I2C地址，从机地址。这个过程大概需要3mS左右，可以用等待方式或者用中断方式(Rsel_Donei)来确认初始化是否完成。初始配置完成后，我们可以通过读取寄存器DEV_STATUS来确认配置的工作模式。
当设备是主机模式时，它处于低功耗关断状态，使能（/EN）后, 进入从机检测状态。如果成功检测到从机，主机就会开通PLC通道上的开关（Q1/2），进入从机充电模式，从而可以通过VCC对PLC端进行充电，充电电流可达1.2A。同时，主机可以主动启动PLC线上通信，进入PLC模式，和从机交换数据。整个过程中，如果有任何的短路不安全因素发生，设备会自动断开开关（Q1/2），进入安全模式。
当设备是从机模式时，它处于低功耗关断状态，使能（/EN）后, 进入主机检测状态。如果成功检测到主机，并且线上PLC电压大于设置的门限电压，设备就进入主机找到模式，使能数据通信，自动配置开关（Q1/2）处于LDO模式，并等待主机的数据通信命令。当收到主机协议时，就可以相应的回复数据。主机随时可以通过命令使从机恢复空闲等待状态，断开开关（Q1/2）。需要注意的是，主从之间的数据通信必须由主机发起。当有双从机时，两个从机是通过特定的位地址来确认的。
高性能电量计
充电盒设计电池部分采用美信最新的电量计管理芯片MAX77818。MAX77818将高性能开关充电器和专有的ModelGauge™ m5电量计集成于一个WLP封装，是USB供电便携式设备的理想选择。智能电源通路充电器支持两路输入，带有反向阻塞和USB-OTG，集成全部功率开关，工作在较高开关频率，具有高效率，支持利用较小外部元件实现低热设计。Maxim ModelGauge m5算法既有库仑计出色的短期高精度、高线性度特性，又具有电压电量计优异的长期稳定性，而温度补偿还提供业内领先的计量精度。器件还集成两个高压输入LDO，可通过I2C接口灵活编程。需要说明的是，为了准确的测量电池电量，需要对电池进行建模，取得电池的特征参数。美信有专门的团队可以帮助电池建模。当然，在初始阶段，大家也可以利用美信网上的工具生成简单的建模参数，进行测试评估。
耳机部分采用MAX17260。这是一款超低功耗电量计IC，低至5.1μA工作电流，采用Maxim ModelGauge™ m5算法，监测单节电池，支持高边和低边电流检测。值得说明的是MAX17260支持ModelGauge m5 EZ算法，即不要求对电池进行特征分析，很容易实现电量计量，并简化主机软件。算法具有较高容限，支持多种锂电池应用。IC在较宽的工作条件下自动补偿电池老化、温度和放电率，无需校准，并以百分比(%)提供精确的电量状态(SOC)，以毫安时(mAh)提供剩余容量。当电池达到接近空电量的临界区域时，算法激活特殊的误差修正，进一步消除误差。IC精确估算剩余工作时间和电池充满需要的时间，提供三种报告电池寿命的方法：容量降低、电池电阻变大和充电次数增加。
图6 MAX77818结构框图
图7 MAX17260结构框图
处理器单元
MAX32660是带有浮点运算单元 (FPU)的超低功耗ARM M4核的MCU，自带256KB闪存、96KB RAM、16KB指令缓存、14个通用I/O引脚，采用简单的SWD编程。其内部振荡器工作频率高达96MHz，支持SPI, UART和I2C通信。它集成了优化的电源管理单元，待机电流只有2uA，可以最大程度延长电池的工作时间。MAX32660的超低待机功耗，灵活的电源配置，超小体积（1.6mm x 1.6mm），使其非常适合可穿戴设计应用，包括无线耳机，运动手表，手环，健身设备，手持医疗设备和物联网(IoT)等应用。本设计中，MAX32660用于处理各种软件工作，软件流程图见图8。流程图包括两部分：充电盒端和耳机端。
充电盒端软件流程工作如下：首先上电后初始化GPIO口和各个外设，包括I2C， SPI，Timer1，并配置好中断向量。接下来配置外围器件，包括电量计芯片MAX77818，DC-DC电源MAX77813， PLC 芯片MAX20340，OLED显示屏。MAX77813是给MAX20340供电，直接配置成5V输出（VOUT[6:0]=0x78）。MAX20340配置成主机模式，并设置好PLC数据格式，PLC电流和电压大小，充电电压门限，LDO电压差，以及中断使能。因为参考设计默认充电盒一直工作待机，当有外部USB电源输入时，充电盒就开始充电，直到电池充满。OLED始终显示电池电量。当有从机PLC连接时，主机立马收到中断信号，并进行从机识别判断。如果检测到是正确的从机后，打开PLC输出对从机进行充电，并定时询问从机，正确收到从机反馈后，读取从机发来的数据（耳机的电量和充电状态百分比）并进行显示。
耳机端软件流程工作如下：首先上电后初始化GPIO口和各个外设，包括I2C，Timer1，并配置好中断向量。接下来配置外围器件，包括电量计芯片MAX17260，SIMO电源MAX77651, PLC 芯片MAX20340， Codec MAX98090 。MAX20340配置成从机模式，并设置好PLC数据格式，PLC电压大小，充电电压门限，LDO电压差，以及中断使能。从机MAX20340连接到主机后，就由主机MAX20340通过PLC线上进行供电，进而从机MAX20340对MAX77651供电，并由MAX77651提供整个耳机需要的各个电源。当从机收到主机通讯命令时，进行响应，发送回耳机的电池电量和充电状态。
电源管理系统
穿戴设备都是电池供电，对工作时间有一定要求，同时对体积也有严格要求，希望越小越好。因此，电源管理系统就显得尤为重要。小尺寸锂电池供电设备的大多数PMIC还会需要其它附加器件，例如boost、buck或低压差（LDO）稳压器、充电管理器或用于LED显示器的电流调节器。为节省空间、提高效率，MAX77651将上述功能全部集成在一起，构成完整的电源方案，而面积只有19.2mm2 ，基本是当前市场上类似方案尺寸的1/2。MAX77651另一个显著特点是采用单电感多输出（SIMO） buck-boost架构，凭借独特的内部控制系统实现单个电感提供三路电源输出，并结合150mA LDO和三路灌电流驱动器，大大减少板级元器件数量，最大程度地增大电路板可用空间。为提高设计灵活性，MAX77651分别支持最高3.3V和5V工作电压，同时也提供各种工厂编程选项，允许客户根据自身需求量身定制方案，使产品快速上市，是一款理想的低功耗设计应用的芯片。因此，MAX77651具有超低待机功耗（0.3uA），高效率，少器件，小尺寸的显著优势。下图是采用美信SIMO方案和传统电源方案的一个示例对比测试。
充电盒同样采用了SIMO技术的电源管理芯片MAX17270。MAX17270为3路输出开关调节器，它的一大显著特点是通过电阻来设置三路输出电压，特别方便简单。设计用于要求在极小空间内高效调节多个电源的应用，能够建立高于、低于或等于输入电压的输出电压，所以能够充分利用整个电池电压范围。
图9 SIMO方案和传统电源方案对比
图10 MAX77651应用框图
电源测试
系统既有高精度模拟电源，也有数字电源，而我们设计采用的是单一集成的电源方案，因此其性能对系统精度极为重要。电路设计和PCB布线一定要以数据手册要求为主，尤其重点要注意以下几点：
下图是本参考设计测试的MAX77651B 输出波形，可以看到纹波最大是35mVpp。这是单一电感3路输出的效果，性能完全可以接受。
图11 MAXREFDES1263电源纹波测试
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