详解HERO ChargeTM 的TWS充电方案

当人们还在宣称30多小时为长续航时，SoundPeats在双12发布了旗下的Capsule3 Pro TWS耳机，见图1，其续航时间高达令人震惊的52小时。拆开该耳机，人们发现该款TWS耳机采用了微源半导体的HERO ChargeTM方案LP7810 + LP4080。

01 TWS 耳机续航时间对比  

  从拆开的耳机我们发现Capsule3 Pro充电仓的电池是500mAh/1.85Wh，耳机电池为35mAh（0.135Wh/3.85V），充电仓采用的充电仓管理芯片为LP7810，耳机采用了LP4080，见图2。从52audio网的一些拆解报告，人们可以发现一些充电仓电池容量大小500mAh左右的TWS耳机，如表1所示。为什么Capsule3 Pro的续航时间明显长于其它耳机？答案可能有多个因素，其采用的HERO ChargeTM 方案显然功不可没。

图 2. Capsule3 Pro 耳机内部的电池和PCB

02 52小时背后的HERO ChargeTM

  下面我们简单介绍一下HERO ChargeTM 的TWS充电方案。TWS耳机系统的简化的系统框图如图3所示。充电仓输出电源给左耳机和右耳机的充电电路供电，一般的蓝牙芯片自带线性的充电电路，当然也有蓝牙芯片不带充电电路所以需要增加外部充电电路。当给耳机充电时，一般需要供给充电电路一个5V左右的电源，耳机从较低的电压（如2.8V）被充到4.2V，整个充电过程中5V的输入电压和电池电压之间的电压差乘以充电电流所产生的功率会转换成热浪费掉。图4左边的图可以帮助理解这个充电过程。假设在恒流充电（CC）阶段平均电压为3.7V，这个阶段的功率转换效率为74%（= 3.7/5）。再加上充电仓内电路（如升压电路）的损耗，充电仓电池到耳机电池的功率转换效率会更低。

图 3. 简化的方案框图

图 4. HERO ChargeTM 充电方案和传统线性充电的比较

由于耳机充电电路的电压差是产生损耗的主要原因，人们很容易想到降低该电压差可以提高效率及降低发热，如图4右边的图所示，这就是我们常听说的“低压差”或“电压跟随”充电方案。为了“跟随”耳机电池的电压，充电仓需要实时知道耳机电池的电压值，才能输出一个电压略高于该值。充电仓和耳机之间只有电源和地两根线，没有第三根线提供电池电压值反馈，充电仓如何实时知道耳机电池的电压值呢？笔者了解到目前有两种方法。一种方法是充电仓和耳机之间需要通过通讯，充电仓定时问询耳机端的MCU，了解电池电压值，然后在其基础上加一差值，该差值大约在300mV。第二种方法是充电仓在CC阶段定时查看耳机充电电流是否下降，如果下降就代表耳机充电电路电压差过低，就上调电压。

目前第二种方法需要外加电流测量电阻和高精度ADC来量电流，存在电阻太大则损耗增加和电阻太小则精度不够的矛盾。两种方案都存在需要软件介入才能实现“电压跟随”的效果，需要软硬件工程师互相配合，增加研发复杂度，实际上也增加成本。 HERO ChargeTM充电方案的电压跟随是完全自动的。这里HERO是Highly Efficient, Rapid & Optimized的缩写，意思为“高效、快速、优化”。该方案无需软件介入，充电仓会自动输出一个电压略高于耳机电池电压。如LP7810在CC阶段，如果CC电流设置得比较低，这个电压差在50mV左右，电流大时，充电电路大约等效于一个0.5W的电阻。图5为一个实测的LP7810+LP4080给一个50mAh的耳机电池充电的过程，充电电流为150mA(3C)，从图中可以看到在CC阶段这个“低压差”在大约75mV左右。如果仍然以3.7V为平均电池电压，这时线性充电电路的效率高达“98%”（=3.7V/3.775V），再去掉升压等电路的损耗，从充电仓电池到耳机电池的功率转换效率可轻易超过90%。

图 5. HERO ChargeTM在CC阶段和CV阶段的电压和电流波形

图6是微源的LP7811+LP4081用在一个540mAh充电仓电池给两只50mAh耳机电池的实测数据。图中下降的波形是充电仓电池累计容量下降的过程，上升的两曲线是两只耳机累计容量上升过程，两只耳机实际容量有一点差异，所以这两曲线没有完全重合。这个测试在仓电池还剩14mAh时停止，所以充电仓实际释放出526mAh，两只耳机总共接收到428mAh容量，容量转移率达81%（= 428/526）。对应传统线性充电，这个转移率大约为60%多，充电仓续航时间的增加幅度会超20%，甚至达30%，是非常可观的。

图 6. 实测一只540mAh充电仓电池给两只50mAh耳机电池充电容量转移数据 HERO ChargeTM充电方案有以下特点：

a. 由于耳机内充电效率非常高，即便耳机充电电流比较大，耳机内产生的热很低，所以HERO ChargeTM可用于快充。对于40mAh的耳机电池，微源的LP7811可达7.5C耳机充电电流，LP7810可达6C以上。

b. 由于充电效率很高，每次给耳机电池充电过程中浪费少，没有浪费的电荷都留在充电仓电池里，所以充电仓的电池续航时间得以大幅度延长，这个特点即便没有利用快充也同样有效。Capsule3 Pro正是利用了这个特性。

c. 无需MCU软件介入充电过程，开发调试简单。

d. 仍然是线性充电，所以没有过多的外部电感等庞大的器件，PCB面积小。

03 HERO ChargeTM方案组合

  微源的产品在大量的TWS耳机被采用，近年推出了若干产品支持HERO ChargeTM方案，图7为现有支持HERO ChargeTM的产品组合，其中LP781x为充电仓管理芯片，LP408x为耳机内的充电芯片，LP4080或LP4081可以和任何一颗充电仓管理芯片配合来实现HERO ChargeTM方案。LP7810内含一个支持30V输入耐压的线性充电电路为充电仓的电池充电，左右两路独立的输出最大250mA电流给耳机充电。LP7811内含一个支持30V耐压的高效开关充电电路给充电仓的电池充电，最大充电电流达1.7A，左右两路独立的输出最大电流达300mA给耳机充电。LP7812无需搭配MCU，充电仓可以单芯片实现HERO ChargeTM方案，其它充电仓管理芯片需要搭配MCU实现管理。如需了解更多关于HERO ChargeTM方案的信息可以联系微源。

图 7. HERO ChargeTM产品组合   04 HERO ChargeTM方案合作伙伴

  为了降低整个TWS耳机的成本，微源和行业内一些TWS蓝牙主芯片公司合作，使他们的蓝牙芯片内置的线性充电支持HERO ChargeTM方案，比如蓝讯最近推出的讯龙3代。只要搭配微源任何一颗LP781x充电仓管理芯片，蓝讯的讯龙3代耳机就可以享受HERO ChargeTM方案带来充电仓续航时间的增长。

05 结束语  

  HERO ChargeTM充电方案具有“高效，快速，优化”的特点，其超高的功率转换效率允许耳机以高C倍率充电而不发热，达到快充目的，提高用户体验。LP4080的“压差”低至50mV，低于其他“低压差”方案。高效率省下的能量留在充电仓电池里，可以大幅度提高TWS耳机电池的续航时间，这个特点在SoundPeats旗下的Capsule3 Pro TWS耳机52小时的续航时间得以充分体现。HERO ChargeTM充电过程无需MCU软件介入，可以节省研发投入，也降低成本。充电电路仍然是线性充电，外部器件很少。如果搭配像讯龙3代这样的蓝牙主芯片，耳机内自带支持HERO ChargeTM充的充电电路，进一步降低成本和PCB面积.

编辑：黄飞