摘要：本文敘述了無線立體聲（TWS：true wireless stereo）耳機無線充電耳機盒的市場趨勢，並分析了為什麼TWS無線充電耳機盒中滿足WPC無線充電聯盟推出的Qi標準的產品很受歡迎。進一步分析了典型的無線充電耳機盒設計要求和TWS無線充電耳機盒系統。最後闡述了TWS無線充電耳機盒的設計步驟以及方法。
由於大量手機取消了耳機插孔，進而造成不可能同時進行有線充電和接入耳機；同時在耳機設計中融入了更多功能，比如有源消噪等；所以對真正的TWS耳機的需求不斷增長。目前市場上部分高端手機也開始支持無線反充功能，即WattShare模式或稱為反向充電，其可以方便地利用手機給穿戴式設備，如智能手錶和TWS耳機盒等產品充電。另外，在小型電子設備上安裝充電接口比較困難且耳機充電接口難以滿足防水設計要求，也成為無線充電耳機盒流行的重要原因。
TWS無線充電耳機盒內嵌電池組併集成滿足Qi標準認證的無線接收器。通常其無線充電接收線圈位於外殼底部或側面。TWS耳機只集成非常小容量的電池，通過充電觸針與耳機盒連通。當耳機放置於充電盒中，耳機盒電池給耳機充電。很好理解，在較小體積的耳機內放入小型充電線圈實現無線接收器設計比較困難，同時也由於耳機不規則形狀較難平置線圈，所以無線充電接收器一般設計在無線充電耳機盒裡面。
圖1 典型無線充電磁通耦合示意圖
通常來講，採用較小的接收線圈在標準的發射產品上實現無線充電效率較低，會造成充電時長過長和較高的溫升，這樣較難實現比較好的用戶體驗。如圖1所示，一般設計要求需要接收端（Rx）線圈能夠有效耦合標準發射器（Tx）線圈的磁通量。而較小的線圈和較大的距離較難實現在常規的發射器上實現很好的磁通量耦合，從而造成效率低，充電面積小。為了實現更好的耦合，有時也需要採用機械或磁吸附裝置避免偏置。但是即使接收線圈很小，如常見的30mm x 30mm或40mm x 15mm線圈的接收充電盒也能滿足標準Qi發射設備充電，也就是說並不需要對無線充電發射器作特殊設計。
在設計過程中，通過遵循WPC無線充電聯盟（Wireless Power Consortium）的Qi標準滿足發射機和接收機之間的互操作性來提升用戶體驗。現在市場上有越來越多的Qi標準設備滿足用戶需求，TWS耳機製造商無需特別設計製造無線充電發射器。同時滿足Qi認證標準的產品已經實現異物檢測(FOD：Foreign Object Detection)功能，進一步提升無線充電安全性能，並能防止皮膚灼傷和其他危險。滿足Qi標準規範的認證過程[1]也相對簡單，一是在授權測試實驗室（ATL：Authorized Test Lab）實驗室進行WPC規範的測試，二是隨後進行的互操作性(IOP：Interoperability Test)測試。更多信息可以訪問：
Qi認證流程和費用。
一般典型的耳機無線充電盒技術規範如下：
充電盒電池容量:400 ~ 600mAh
最大功率為3~5W
Rx 輸出電壓設計成5V
Rx線圈大小:
– 30mm x 30mm(中間線圈)
– 40mm x 20mm(底部線圈)
其典型系統框圖如圖2虛線框所示。接收線圈通過無線充電接收晶片實現功率傳輸，無線接收晶片輸出通過電池充電晶片實現對電池的充放電管理。
圖2 典型無線充電耳機盒框圖
TWS無線充電耳機盒的設計步驟可以包含五個部分，即首先定義線圈尺寸和無線充電系統要求，其次進行諧振腔設計，原型機設計和用戶體驗優化，最後進行系統軟體集成以及通過Qi認證。
首先，線圈尺寸是一個最為關鍵的規格，一般需要耳機盒工業設計團隊早期參與。考慮線圈尺寸時，同時也要考慮以下幾個方面，首先是充電面積即X方向和Y方向覆蓋區域，其次是效率，最大功率傳輸指標和是否滿足Qi認證要求等。
其次，根據電池電壓以及電池容量的大小以及安全條件下最大充電電流等要求，確定系統的最大功率。同時需要定義無線充電時，充電盒表面或電池可接受的最高溫度。另外，也要確保接收線圈周圍沒有大的金屬，比如需要考慮以下充電盒開啟方式以及金屬捲軸位置等。最後也要保證Rx表面和線圈之間的距離較小，比如小於1mm的設計要求。
諧振腔設計是無線充電系統最重要的部分，其決定了無線充電系統的工作點和系統性能，也是無線充電系統中功率損耗設計最為關鍵的部分。從耳機盒無線接收系統來看，由接收線圈、接收電路諧振電容以及接收端並聯諧振電容等組成。簡單來說，單獨選擇最好的Tx線圈和最好的Rx線圈並不能保證一個穩定的工作系統，這是因為每個組件都會影響整個無線充電系統運行。同時諧振電容要根據線圈、耦合和目標工作點來確定。WPC指定了BPP和EPP的Tx線圈和諧振電容規格，同時WPC也推薦Rx線圈規格和Rx諧振電容規格。如圖3所示，優化後的諧振腔增益在目標工作頻率範圍內，增益曲線差別很小，這樣可以保證無線充電系統開關損耗較小。
圖3 a) 不理想的諧振腔增益 b) 優化後的諧振腔增益
3.3原型機階段
完成了諧振腔設計後會進入原理圖，器件選取以及PCB布板從而進入原型機階段。一些系統關鍵參數以及必要的系統測試將會是這個部分的重點，比如系統效率、充電面積、負載階躍響應、熱性能測試以及與標準無線發射器的互操作性測試等。若以上關鍵指標不能滿足系統設計要求，可能需要重複諧振腔或線圈的設計。
3.4系統集成
在系統集成階段，要從用戶體驗以及產品最終性能出發。比如設計充電連接/斷開用戶指示；通過改變電池充電電流，以滿足熱規範進行熱調節優化。同時考慮充電100%狀態時系統控制優化，充電盒通常沒有很大的面積來散熱，當設備達到100%充電狀態後處於功率轉移階段時，設備表面溫度可能會升高。
圖4 無線充電耳機盒充電實例
3.5 WPC Qi認證流程
WPC Qi標準認證流程包含兩個關鍵部分，如圖5所示。一是進行ATL合規性測試，測試最終產品是否滿足WPC 規範的要求。主要測試內容包括，發射器和接收器之間通信協議的時序，通過XYZ軸的平移測試功率輸出能力，能量傳輸的最大供給能力和異物檢測FOD。二是IOP兼容性測試。主要測試最終產品與測試樣本集（Test Bed）中已通過Qi認證產品的互操作性。
圖5 Qi認證流程示意圖
以瑞薩電子為例，為更好地支持耳機盒客戶簡化設計過程，縮短產品上市時間，瑞薩P9222-R-EVK[2]預先通過了Qi認證。該方案可以在WPC網站中的Qi認證產品資料庫中瀏覽。可以參考下面圖6所示WPC頁面截圖，Qi註冊ID為7681。
圖6 P9222-R-EVK Qi認證頁面截圖
作為手機生態的重要附屬產品，採用無線充電的TWS耳機越來越受到市場以及用戶的追捧。隨著智慧型手機的反向充電功能的普及以及「無孔化」即去掉充電口的可能性增高，也使TWS耳機盒採用無線充電勢在必行。無線充電耳機盒在設計過程中線圈尺寸及其設計至關重要，諧振腔設計是整個無線充電系統的重中之重。通過滿足WPC Qi認證要求不僅提供足夠的安全保證，也為利用標準發射器滿足互操作提供了基礎。
[1]https://www.wirelesspowerconsortium.com/knowledge-base/testing-and-certification/
[2]https://www2.renesas.cn/cn/zh/products/power-power-management/wireless-power/wireless-power-receivers/p9222-r-evk-wireless-power-receiver-solution-low-power-applications