真无线立体声 (TWS) 客户致力于增加每个满电量充电盒电池可提供的耳塞充电次数，并在充电过程中尽量减少发热，从而提供良好的用户体验。使用线性电池充电器为耳塞电池充电的情况非常常见。因此，为了更大限度地提高充电效率，必须根据当前耳塞电池电压动态更新充电盒输出电压。这样一来，充电盒和电池之间就需要通信接口。除了耳塞电池电压外，该接口还可以将充电状态、器件温度和其他故障等有用信息传回充电盒。

耳塞到充电盒接口所需的引脚数是 TWS 设计中的一个关键机械注意事项。很多耳塞到充电盒通信的实现都需要在每个耳塞上使用三到五个引脚。从机械角度而言，理想状态是使用最少数量引脚，即两个引脚。接下来面临的挑战则是如何在允许充电的同时实现 2 引脚通信接口。

图 2-1 显示了 2 引脚充电系统的方框图。下文介绍该系统内部各器件的功能和特性。

图 2-1 系统方框图

此器件是一款高效 1.5MHz 同步开关模式降压充电器。它具有集成电源路径特性，可在有 USB 适配器时同时为充电盒电池和耳塞电池充电。当与 USB 适配器断开连接时，BQ25619 可输出 4.6V 至 5.15V 的可选升压。这样就无需在系统中使用单独的升压转换器。在该系统中，升压模式设置为 4.6V，以便以更高的效率进行充电。

这是一个 1A 降压转换器，用于调节充电盒的输出电压。通过向反馈引脚施加 RC 滤波 PWM 信号来调节此输出电压。此处链接的白皮书概述了为动态电压控制设计反馈系统的过程。该系统使用动态电压控制来更大限度地减小耳塞中线性电池充电器器件的压降。余量的减小可更大限度地降低充电期间耳塞中线性电池充电器的功率耗散和升温。

这是一个用于控制充电盒输出电源轨的负载开关。当系统处于通信模式时，它还将降压转换器的输出电容与信号线路隔离开来。这是一个低电平有效负载开关，无快速输出放电 (QOD)。该器件允许电源路径为系统默认设置，因此充电盒或耳塞中的电池电量耗尽不会使系统砖化。

此器件是用于在耳塞和充电盒之间传递 UART 通信的模拟开关。此器件可将逻辑信号切换至 1.2V，并具有断电保护特性。断电保护特性使得器件能够在器件处于充电模式时保护 MCU 上的 UART 引脚。不具有断电保护特性的模拟开关器件不适用于此应用，因为当耳塞输入电压介于 3.3V 和 4.6V 之间时，会超过很多开关的 I/O 额定电压 Vcc + 0.5V。若不具有此特性，超过此额定值可能会导致 MCU GPIO 引脚上发生过压事件。

在本文所述的系统中，使用 MSP430FR5529 MCU 控制充电盒处理功能。此应用要求 MCU 具有一个 UART 通道和一个 GPIO 以启用通信方案。为了控制 BQ25619，需要一个 I²C 通道，并且还可以将五个 GPIO 引脚连接到 BQ25619 以实现器件的输入和控制。为了控制 TLV62568P，需要一个启用 PWM 的 GPIO 引脚来动态控制器件的输出，还可以使用一个额外的 GPIO 来读取器件的 PMID_GOOD 引脚。

节 10.1中显示了充电盒的软件。

此器件是一款内置 ADC 的线性锂离子电池充电器。它允许在充电时提供可变输入电压。此特性可支持实现本报告中概述的高效充电方案。该器件具有内置 ADC，可监控多个引脚，包括电池电压 (VBAT)、电池温度 (TS)、外部 ADC 通道 (ADCIN)。还有三个比较器可实现多种不同的功能，包括此处的应用手册中介绍的过热电池放电功能。该器件还具有一个中断引脚，可在许多不同标志上触发 MCU 中断。这个基于标志的中断系统用于实现本文概述的中断驱动型通信。为了更大限度延长耳塞的货架期，BQ25155 运输模式具有 10nA 的超低电流消耗。空间受限型应用可从 BQ25155 的 12mm² 解决方案尺寸中受益。对于此应用，BQ25155 的 VINDPM 功能被禁用，以允许在低 VIN 下充电。

这是一个用于控制耳塞输入电源轨的负载开关。当系统处于通信模式时，它还会将 BQ25155 的输入电容与信号线路隔离开来。这是一个低电平有效负载开关，无快速输出放电 (QOD)。具有 QOD 的器件不能用于此应用，因为它会通过放电电阻将通信线路短接至接地。该器件的低电平有效特性允许电源路径为系统默认值，因此充电盒或耳塞中的电池电量耗尽不会使系统砖化。

此器件是用于在耳塞和充电盒之间传递 UART 通信的模拟开关。此器件可将逻辑信号切换至 1.2V，并具有断电保护特性。断电保护特性使得器件能够在器件处于充电模式时保护 MCU 上的 UART 引脚。不具有断电保护特性的模拟开关器件不适用于此应用，因为当耳塞输入电压介于 3.3V 和 4.6V 之间时，会超过很多开关的 I/O 额定电压 Vcc + 0.5V。若不具有此特性，超过此额定值可能会导致 MCU GPIO 引脚上发生过压事件。

在本文所述的系统中，使用 MSP430FR5529 MCU 控制耳塞处理功能。在 TWS 应用中，该插座通常是具有音频流功能的蓝牙 SOC。此应用要求器件具有一个 UART 通道、一个 I²C 通道、一个启用中断的 GPIO 和一个用于开关控制的 GPIO，以启用通信方案。为了控制 BQ25155，可使用三个额外的 GPIO 引脚。

节 10.2中显示了耳塞的软件。

对于此通信方案，充电盒充当主器件，耳塞充当从器件。图 3-1 显示了充电盒算法的流程图。

图 3-1 充电盒算法

首先初始化充电盒以满足用户的系统要求。这里的设置包括 BQ25619 的输出电压和电流、PWM 频率、启动 PWM 占空比、UART 初始化等。初始化后，系统的中断被启用。此时，系统准备好在插入耳塞后开始充电周期。

检测到耳塞时，便会开始充电周期。在用户设置的时间内，充电盒将输出 4.6V 电压。这是为了确保耳塞电池不会耗尽，并且器件可以在通信周期内做出响应。在用户设置的时间过后，充电盒将通过禁用 TPS22910A 负载开关和启用 TS5A12301E UART 开关来启动通信周期。然后，充电盒将等待来自耳塞的 UART 传输触发中断。

这些通信周期以用户定义的间隔发生，此间隔应基于电池的充电曲线。充电周期开始时，预计已放电的电池将在 3.0V 至 3.7V 的范围内。这将取决于电池放电的深度以及客户为电池切断电压选择的设置。此时，耳塞电池的电压将快速变化，因此通信间隔之间的时间需要很短（约为 5 秒）。随着耳塞电池电压升高，电压将以较慢的速度变化，从而增大间隔，更大限度地缩短系统需要处于通信模式的时间。

当 UART RX 中断被触发时，该中断将检查是否已接收到充电完成字节。如果充电已完成，MCU 会将充电盒设置为低功耗模式并等待系统状态更改。如果未接收到充电完成字节，MCU 将存储接收到的耳塞电池电压并继续中断。

然后，将使用新接收到的耳塞电池电压计算 PWM 占空比。此计算基于连接到 TLV62568P 反馈引脚的电阻分压器和滤波器。可点击此处获取 Excel 计算器使用 DAC 进行输出电压调节的设计工具，用于计算这些值。

需要对上述计算进行调整，以便产生比当前耳塞电池电压高出约 200mV 的输出电压，满足耳塞电池充电器所需的余量。完成此计算后，会限定 PWM 占空比值以防止施加低于 3V 或高于 4.5V 的电压。如果发现该值正常，MCU 将调整 PWM 占空比，输出电压将随之调整。

关闭模拟开关并且重新激活负载开关即可再次进入充电模式。然后，中断将终止。

图 3-2 PWM 算法

对于此系统实现的通信，耳塞充当从器件。这可防止耳塞在充电盒处于电源模式时进入通信模式。仅当耳塞检测到 VIN_PGOOD_FLAG（寄存器地址 0x3）已置位且 BQ25155 的内部 ADC 读数为 0V 时，才会进入通信模式并发送消息。这表示充电盒已进入通信模式。图 4-1 显示了耳塞算法的流程图。

图 4-1 耳塞算法

首先初始化耳塞以满足用户的系统要求。这里的设置包括 BQ25155 的充电电流、ADC 转换速率等。初始化后，系统中断被启用。此时，系统已准备好在连接到充电盒后启动充电周期。

以下两个表显示了已修改的寄存器。

系统初始化并连接到充电盒后，它将开始充电并等待响应充电盒触发的通信周期。在等待通信周期时，耳塞每隔 0.5 秒存储一次电池电压。这样做的原因在于，当 Vin 变为 0 从而触发通信周期时，耳塞电池电压将轻微下降，在此期间读取读数将导致传输的电压低于所需的充电电压。

当充电盒进入通信模式时，输入电压将降至 0，这将导致 BQ25155 设置一个标志，以指示 Vin 已降至可接受的电压以下并在其 INT 引脚上触发中断。这将触发 ISR。

当 MCU 进入 ISR 时，它将首先检查中断是否由 VIN_PGOOD_FLAG 引起。之所以进行此检查，是因为 BQ25155 具有很多它可以设置的其他可中断标志，对于此应用，我们仅使用 Vin 标志。最终用户可以选择为 BQ25155 设置的其他标志采取不同的操作。

如果 Vin 标志已置位，BQ25155 的内部 ADC 将用于限定中断。这是通过每 3ms 读取一次 250ms 的 Vin 并比较最近的三个值来完成的。如果在 250ms 内未找到三个连续值来确认中断，则中断将超时

如果中断被限定，则对充电完成寄存器进行检查。如果充电已完成，将发送充电完成位。如果充电未完成，则在主循环中读取的耳塞电池电压将通过 UART 进行传输。禁用耳塞负载开关并启用模拟开关即可完成传输。然后，数据将被推入 UART 发送缓冲区并发送到充电盒。然后，通过切换开关，耳塞将立即重新进入充电模式。这可防止在充电盒重新进入充电模式以响应通信时意外为耳塞逻辑引脚供电。执行此步骤后，耳塞将返回主循环。

图 4-2 耳塞中断例程

这些结果是通过使用 200mAh 快速充电电流对 195mAh 耳塞电池执行完整充电周期获得的。电池盒由充满电的 400mAh 电池供电。效率数据是通过测量瞬时输入电压和电流以及输出电压和电流来计算的。这些值分别在电池盒电池和耳塞电池的端子处测量。获得瞬时电压和电流后，将它们相乘即可得出系统的瞬时输入和输出功率。然后对整个充电周期内的瞬时功率进行积分，以得出系统的总输入和输出能量。

该数据是使用示波器收集的，示波器在大约 83 分钟的整个充电周期内的采样率为 500S/s。电压数据直接在每个电池的端子上测得的。电流数据是使用 INA240 器件在与电池和系统输入/输出端子串联的 10mΩ 检测电阻上测得的。

热数据是使用 FLIR 热像仪获取的。环境室温为 25°C，没有为系统提供直接通风。