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TWS耳机设计如何做好开关检测?答案在这里!

2019-11-07
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TWS(True Wireless Stereo, 真无线蓝牙耳机)需要检测充电仓盖的开合,以及耳机是否在位,在这一检测功能中,霍尔器件因为反应灵敏,体积小,功耗低,受到越来越多的客户的青睐。在本文中,我们将会介绍市场常见的开关监测方案,以及TI 霍尔传感器技术在TWS 耳机中的应用。



常规开关检测方案

机械弹针检测

机械弹针结构简单,对精度要求高,但是使用寿命短,易受粉尘、水汽、振动等因素影响,触点容易锈化,极易产生金属疲劳损坏。


磁簧开关检测

磁簧检测是通过磁铁感应密封在玻璃管内含有贵金属材料的触点。因此,该开关不受湿气或其他环境因素的影响,触点不会氧化,缺点是体积大、安装难、易损坏。


红外光电开关检测

红外光电开关把光发射器和接收器面对面地装在一个槽的两侧。发光器发出红外光,在开盖时接收器能收到光,合盖时槽中光线被遮挡,光电开关便动作。该方案优点是检测速度快,但功耗大,也怕灰尘水水汽等因素。


霍尔开关检测

通过霍尔效应对磁场变化进行检测,相对于簧片、机械式一类的开关,其数字输出干净平稳,不会出现抖动,没有冲击等情况的产生,寿命高、耐振动;相对于红外光检测,这种检测方式不怕油污、水汽和盐雾污染或腐蚀、不怕灰尘、功耗低、体积小、重量轻、安装方便。越来越多的TWS耳机开始选择开关型霍尔器件,耳机插入检测也逐渐从机械弹针方案转换为霍尔检测。



霍尔效应以及霍尔传感器技术的原理

霍尔效应是通电固体导体(或半导体)内部载流子在磁场受洛仑兹力形成偏移,继而产生感应电压差,最终洛仑兹力与电场力平衡的过程。霍尔效应常用于磁场测量、电信号测量等方向。


常用的霍尔器件按输出信号类型分为线性霍尔器件,开关霍尔器件和锁存霍尔器件。线性霍尔器件输出为模拟信号,输出电压与外部磁场的强弱通常成线性关系。数字霍尔器件输出为01的电平,其中根据感应磁极的特性不同数字霍尔器件可以分为单极型,双极型以及锁存型三种。工作过程如图1和2所示,通过检测外部磁场的强弱控制输出导通或关断,类似开关的作用。当磁通量密度增大到一定值时,霍尔开关开始动作输出低电平,该点对应的磁通量密度称为工作点BOP,由于磁滞作用的影响,如果关掉中的和霍尔开关需要使磁通量密度低于某点,霍尔开关关断,此时磁通量密度的数值称为释放点BRP

图1:用于信号隔离的开关

图2:双极型数字霍尔IC输出特性


数字霍尔器件的通常结构如图3所示由霍尔效应片、电压调节器、休眠唤醒控制电路、信号放大滤波电路、偏移补偿电路、施密特触发器,开漏极输出(或推挽输出)。

图3:数字霍尔IC内部结构



TI霍尔传感器技术在TWS耳机里的应用

在TWS蓝牙耳机充电仓之中,往往放置了多块磁铁用以吸附耳机与仓盖,每一块磁铁的极性朝向都会影响到霍尔IC感应点的磁场感应强度。若选用全极型霍尔IC,充电仓内部磁场即使在仓盖打开后仍会保持一个较高的值,不能达到霍尔IC的释放点。因此仓盖中应使用与原仓内磁场相反的磁极,并选用只对该极性动作的单极型霍尔IC,避开其他磁极的干扰。此外,开关型霍尔IC内部为逻辑控制电路,如图4所示在输入端放置滤波电容能够提供一个干净供电环境保证内部逻辑能够正常的工作,电容靠芯片越近,滤波效果越好,一般容量在0.1uF-10uF 。许多工程师计算开关霍尔IC与磁极的有效总气隙时常常会遇到困难,TI提供了一个在线计算工具Hall Effect Switch Magnetic Field Calculator,并给出了TI霍尔开关产品在不同规格磁铁下的感应距离,为大家的设计提供参考与便利。

图4:典型应用电路

图5:有效总气隙计算工具


TI推出的超低功耗DRV5032霍尔效应开关,在TWS耳机里根据客户不同的需求有表6中七个版本可供选择。该IC具有较宽的供电电压1.65-5.5 V,可由电池直接供电。其中采样频率为5 Hz的版本在1.8V的供电条件下电流消耗低至0.54 µA20 Hz版本在3V的供电条件下电流消耗低至1.6 µA。两种不同的封装规格SOT-23(2.9*1.3)与X2SON(1.1*1.4),适用不同的仓内结构。此外,单极型版本的IC推挽输出节省上拉电阻空间,有两档磁感应灵敏度能够提供准确而稳定的磁开关点。工作的温度范围支持-40 至 +85°C

表6:DRV5032霍尔开关版本


同时,为帮助工程师快速开发设计,TI提供DRV5032的评估板、相关技术资料以及TWS耳机整体参考设计供设计参考。


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