TWS耳机中都应用了哪些电感?作用是什么?

2021-05-17 20:19:11 0点赞 2收藏 0评论

TWS耳机可以说是近几年非常火爆的电子消费类产品了,随着TWS耳机的普及,目前在街道、公交、地铁等场所已经能够随处见到它的身影。

TWS耳机中都应用了哪些电感?作用是什么?

同样作为一款耳机类音频产品,TWS耳机相较于有线耳机组成就复杂的太多了,需要众多元器件的紧密结合,从而实现各项功能正常且有效、优质地运转,因此也带动了相关产业链的快速升级。

TWS耳机最主要的一项特征便是内置电池的加入实现了无需线材供电。而由于电压的不平衡,在为充电盒内锂电池充电,充电盒电池放电为耳机电池充电,以及耳机电池放电供能的过程中,电源芯片和电感起到了重要的作用,此前我爱音频网对电源芯片已经做了很多期的报道,今天再来为大家分享一下TWS耳机中电感的相关知识~

一、电感是什么?

TWS耳机中都应用了哪些电感?作用是什么?

电感是一组线圈,当通过交流电流时,在导线的内部及其周围产生交变磁通,拥有储存和释放能量的功能。在电子线路中,电感线圈对交流有限流作用,它与电阻器或电容器能组成高通或低通滤波器、移相电路及谐振电路等;变压可以进行交流耦合、变压、变流和阻抗变换等。

二、电感在TWS耳机里的作用是什么?

TWS耳机由充电盒和耳机两部分组成,因此内部电路也分为了两个部分。目前主流的TWS耳机电路原理框图包括充电仓/底仓框图(图1)和耳机端框图(图2)。

图1.充电仓应用框图图1.充电仓应用框图

首先我们先来看一下充电盒的电路原理图。充电盒内置锂电池根据各家品牌商对于产品的定位不同,容量大小也有所不同。我爱音频网从充电盒电池的拆解汇总中获悉,目前的TWS耳机电池容量从200-2600mAh不等,其中绝大多数产品配备的是1000mAh以下的小容量锂电池。针对大电池容量的锂电池,需要用到快充芯片,快充芯片的外围需要用到一颗功率电感作为储能器件。

TWS耳机内锂电池电压一般在3.4-4.4V,由于为耳机充电需要5V左右的电压,因此便需要升压电源芯片将电压升至5V,在这一过程中升压电源芯片的外围则需要用到一颗功率电感作为储能器件。

因此在充电盒内部,会用到快充充电芯片和升压电源芯片外围搭配的功率电感器,即需要1-2颗功率电感器。

图2.耳机应用框图图2.耳机应用框图

在TWS耳机中,耳机端承载了各项功能的直接应用。从我爱音频网主控芯片的拆解汇总中可以发现,目前的TWS耳机主平台选择已经非常丰富,根据不同主平台的框架不同,内部电路会略有不同。

围绕着各主平台,以及所需要的应用功能不同,比如支持触摸操控的需要触控芯片,支持压感按键需要压力感应芯片,支持入耳检测的则需要入耳检测芯片,支持主动降噪的需要降噪芯片,部分主平台独立或集成DSP、音频编解码、RF等等。

在TWS耳机中,为了能够实现“随叫随到”的优质用户体验,众多功能在未使用时多处于待机状态。待机消耗续航,而续航又是TWS耳机一项重要的参数指标。为了提高待机效率,需要用到开关型DC/DC电源芯片进行电源转换,而开关型DC/DC电源转换芯片的外围都需搭配一颗功率电感器作为储能器件。

因此,根据不同产品的功能应用以及不同主平台的集成度差异,单个耳机内需要2-4颗功率电感。

从中可以发现,电感在TWS耳机中主要作为电源芯片的外围储能器件使用。根据不同的产品定位,每款TWS耳机中至少需要3-9颗甚至更多的功率电感。并且未来随着功能的增加,需要的功率电感数量会越来越多。

三、TWS耳机中电感类型

电感的种类非常繁多,也有很多不同的分类方式。比如按制作工艺分的,按应用分的,按屏蔽性分的,按结构分的等等。随着生产工艺的不断迭代,有些比较老旧工艺的电感被逐渐淘汰,目前比较主流的电感包括叠层电感、绕线电感、一体成型电感和变压器等几个大类。

在TWS耳机的应用中,由于充电盒和耳机的不同电路结构,以及对于体积的限制,两者在电感的使用上也有所不同。

图3.磁胶功率电感图3.磁胶功率电感

在充电盒中使用的电感种类有磁胶NR电感、绕线CD电感、一体成型电感。其中使用较为普遍的为磁胶电感(如图3),功率密度较为适中,屏蔽性表现较好。

因为底仓的升压电路通常为低功耗升压芯片,其功耗足够低,通常工程师会将其设计成输出常开。但升压芯片进入超低功耗模式时,会降低开关频率,而开关频率如出现在20-20KHz频率范围内,此为人耳可听范围,功率电感的铜线会因机械振动,带动磁芯,以及带动PCB板面进行震动,由此会有一定概率会听到“呲呲”声,也被称为电感的啸叫声。

图4.一体成型电感图4.一体成型电感

啸叫声在一定程度上会影响用户的使用体验,因此一些大牌厂商多数会采用全磁屏蔽的一体成型功率电感(如图4)。功率密度大,在同样的面积内,电流更大,效率更高。其工艺结构,磁屏蔽效果更为出色,并能有效的改善啸叫的问题。

图5.精密绕线电感图5.精密绕线电感

在耳机中会使用到的电感种类较多,有精密绕线电感,大电流叠层电感,磁胶NR电感等。其中精密绕线电感(如图5)兼顾电流大、体积小、高效率等特性使用最为普遍,但同时也有一些小的缺陷(如图6)。

图6.普通精密绕线应用示意图图6.普通精密绕线应用示意图

在应用的过程中,开放式的感应磁场易干扰周围器件,并且电感底部不能走线;低功耗模式下,个别情况也会出现如充电盒一样的啸叫问题;非全屏蔽式的结构在贴片过程中有小概率的铜线受损风险。

为了解决这些问题,便出现了通过涂胶包裹的全磁屏蔽精密绕线电感。因为其屏蔽层含有磁粉,能增强磁导率,从而增强其产品特性从而能够更好地提升效率。并且因为其全磁屏蔽的结构,有效的降低了对于周围电路的干扰,防止了线圈在贴片过程中受损。包裹涂层也有效的降低了杂音,防止啸叫的发生。磁力线是水平方向,底部也方便走线。(如图7)

图7.全磁屏蔽电感应用示意图图7.全磁屏蔽电感应用示意图

但由于制作工艺难度,目前市场上主要的产品多为普通精密绕线电感,少部分使用半磁屏蔽,即电感底部未进行涂胶包裹。这虽然在一定程度上也解决了精密绕线电感的部分问题,但相较于全磁屏蔽还不够完善。

图8.SDHL全磁屏蔽功率精密绕线电感图8.SDHL全磁屏蔽功率精密绕线电感

全磁屏蔽精密绕线电感国际市场上只有日本太诱一家,国内市场三体微电子成为首家突破这一工艺难度的电感厂商,推出了全磁屏蔽功率精密绕线电感SDHL Series产品(如图8),并已进入量产阶段。

三、我爱音频网总结

电感作为目前TWS耳机中的一个重要器件,随着产品功能的不断丰富,单个耳机需要的电感数量正在逐渐增多。并且随着TWS耳机销量的持续上涨快,整体TWS耳机市场需求也有着非常大的上升空间。

在TWS耳机的电感选择上,目前市场上主要有一体成型电感、磁胶电感、精密绕线电感(普通磁开路、半磁屏蔽、全磁屏蔽)等,需要根据具体需求,选用最适合自己的电感器。

另一方面,目前TWS耳机的主控平台性能和功能的提升,需要电感数量的增加与TWS耳机内部寸土寸金的空间形成了矛盾,各家品牌商都在积极寻求体积更小,但同时又要具备优异性能的功率电感产品,能够首先找到突破点的电感厂商将在TWS耳机新一轮的增速中获益。

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