干货｜TWS耳机无线充电，如何更好地过WPC、Qi认证?

我爱音频网 2022-04-22

自从苹果发布AirPods后，广大用户欣喜地发现，TWS耳机彻底摆脱了原来有线缠绕的麻烦，由两个耳机通过蓝牙组成立体声，听歌、通话十分方便。发布即风靡全球，也成为一款热销时尚商品。

我们也看到用户对TWS的追求没有仅限于此，而是在产品的功能上、在体验上不断地提出新要求。比如TWS耳机的降噪功能、音效的提升、电源管理上的提升以及AI智能化等。其中TWS盒子无线充变成了一个用户特别喜爱的功能，盒子充电不再需要额外的线材，只是把它轻轻放在无线充电盘上，就可以实现充电，体验确实无与伦比。

TWS盒子无线充电功能是一个用户喜爱的功能，它的设计也有诸多重点难点问题。比如无线充线圈的温升问题，充电自由度问题，WPC Qi认证问题等。特别是WPC Qi认证问题，是广大工程师面临的一个难点问题：对客户而言，能过Qi认证，产品就可以打上Qi logo，更加畅销，同时，产品能过Qi认证，意味着产品已经通过了250多台无线充发射的兼容性测试，代表产品更加安全可靠，所以客户更有意愿去过Qi认证。对工程师而言，产品要过符合性测试以及250多台无线充发射的兼容性测试，意味着TWS产品从设计之初就要考虑过认证的问题，还需要考虑产品认证和用户体验的平衡，对产品的设计是一个考验。那么，今天我们就专门针对TWS盒子的无线充过认证问题做一个探讨。(本文不涉及具体的认证流程问题，只是针对认证中的重难点问题做探讨)

TWS盒子无线充过认证需要先测试符合性，再测试兼容性。

在测试符合性之前，有两个问题需要考虑。

1. 在测试符合性之前，一定要先和客户沟通，把线圈的尺寸，磁吸位置以及耳机盒子金属转轴确定下来。这三个因素会极大影响后续认证，并且一旦客户ID确定好了就很难变更了，所以需要提前确定好这三个部件。

1.1 对于线圈尺寸，一般TWS盒子无线充会放置在侧面或底部，是一个比较小的长方形，椭圆形或者圆形线圈。如果是长方形或椭圆形线圈，建议尺寸外径长30mm及以上，宽度20mm及以上，线圈外径宽度低于17mm，过认证会比较困难或有的根本过不了认证，主要原因是线圈越窄，和Tx的耦合系数越小，那么在测试兼容性时就会有Tx由于耦合能量不够，而不能正常起机或者产生线圈耦合变弱而导致的解调问题，自由度问题等。需要指出的是，如果客户TWS ID确实不能改变，可以考虑用弧形线圈，只要能保证弧形线圈的投影面积尺寸满足上述要求即可。如果是圆型线圈，我们建议的线圈外径是27mm及以上。

1.2 对于金属转轴，对认证的影响主要体现在FOD(异物检测)以及金属发热。客户一般有两种选择：针状转轴，这种对FOD影响很小，可以忽略。大金属转轴很容易导致FOD。如华为的Freebuds 3，为了避免金属大转轴的影响，把线圈和转轴放在了TWS耳机的两面. 如下如所示为金属大转轴对磁场以及损耗的影响。如果产品的ID设计把TWS大转轴与线圈放在同一面，那么建议1)转轴离线圈边沿在5mm以上; 2)转轴结构金属尽可能放小; 3)Rx线圈的屏蔽层放大，挡住金属结构。

图一：TWS线圈附近磁场分布

图二：TWS金属大转轴损耗分布

1.3 耳机和TWS盒子之间会加磁吸，磁吸会降低无线充效率，导致发热，还会影响无线充的FOD以及ASK信号解调。客户一般不会牺牲太多的磁吸吸力来降低用户体验以及耳机掉落问题，最好的办法是设计之初就让磁吸远离无线充线圈。建议磁吸离Rx线圈的距离在5mm以上。

2. 在测试符合性时，时序一般没有太多问题，最大问题出在FOD上，下图为用miroprocess设备测试的Tx发射功率，TWS Rx接收功率，以及功率差。

图三:用miroprocess测试的TWS发射功率，接收功率以及功率差

2.1 从上述功率曲线可以看出，TWS Rx报告功率和Tx发射功率有空载，到重载这一个过程。

在空载条件下，可以通过设置dummy load 以及offset来修正REP曲线。在重载条件下，通过修正FOD的offset 以及Gain可以修正REP曲线。(如伏达的低功率Rx IC NU1680，可以通过I2C或者I2C外挂电阻来设置FOD的offset以及Gain)。Tx发射功率减去TWS Rx接收功率，功率差要在0-350Mw以内，否则就会报FOD，不能通过符合性测试。

2.2 如Case①，在起机时，Tx与Rx的功率差为负值，就会报FOD，那么改善建议:1) 增大Dummy load，2)增大offset;

2.3 如Case②，在重载条件下，Tx-Rx功率差在0-350Mw以内，就不需要额外调整FOD的offset参数以及Gain参数了

2.4 如果TWS 耳机放置在Tx充电盘上后， Rx报告功率出现抖动，那么也容易造成Tx-Rx的功率差超过限制值，仅仅通过调整FOD的offset值以及Gain值是很难调整到限制值以内的。这时就需要首先把想把TWS Rx的报告功率调试稳定。然后调节FOD offset以及Gain。

TWS 盒子的兼容性测试是WPC Qi认证测试的重点也是难点，毕竟TWS耳机要通过250多款Tx的测试。

以下是一些常见的兼容性(IOP)测试问题。

1. TWS Rx起机能量不够，不能正常起机。如下图所示是一台TWS耳机无线充Rx Vrect起机时的波形(图四)。当Rx放置于Tx上，不能正常起机时，可以用示波器抓取Rx Vrect电压波形，如果Vrect电压低于Rx IC的UVLO阈值，那么就说明Rx的耦合能量不足。

解决方案:

1)增大线圈面积(线圈投影面积)；

2)加大Rx线圈感量；

3)选取UVLO低的Rx IC方案。

图四:TWS Rx起机时的Vrect电压不足

2. TWS Rx放置在Tx上时，由于Tx解包不良导致的timeout断充(图五)。Tx解包不良一般比较容易出现在起机阶段。在起机阶段，TWS盒子的拉载以及耳机的拉载拉载会导致Rx承受较大动态负载，如果系统参数设置不合理或耦合较弱，就会影响到解包。

解决方案:

1) 优化谐振腔参数LC；

2) 调整comm电容；

3) 设置拉载时序，如软起动。避免不规则的拉载导致解包问题。

图五:无线充发射端解不到包timeout断充

3. TWS Rx放置在Tx上时，Tx报FOD导致的兼容性问题。FOD一般分为ping阶段FOD和PT阶段FOD。Ping阶段FOD相对较少发生，比如伏达的低功率Rx NU1680，在ping阶段加入了软起动功能，在ping阶段，NU1680内部Dummy load会逐步上升，避免了ping阶段触发FOD。在PT阶段，如果用Sniffer或示波器抓到Vrect发送REP包后就断充(图六)，那么这时就触发了PT阶段的FOD。这时就需要检查造成FOD的原因? 是FOD Gain或者offset设置不合理还是起机时序导致的Tx与Rx功率差过大造成FOD。

解决方案:

1)测试起机阶段Rx的Iout和Vrect电压，优化拉载时序。保证REP发送前Vrect是稳定的；

2)分段配置FOD gain以及offset参数。

图六:触发PT阶段FOD而断充

4. TWS Rx起机阶段触发了Vrect OVP保护功能。当TWS RX在Tx上迅速移动时，有时会在Rx Vrect引脚上产生一个较高的电压，一旦这个电压触发到Vrect的OVP，那么Rx就会断充。

解决方案:

1) 加大起机阶段的Dummy load，对Vrect加以钳位;

2) 做2级OVP功能。如伏达的低功率Rx NU1680，做了2级OVP保护功能，第一级是软件OVP，Vrect电压触发到后，会密集发送CEP包将输入功率降下来，避免过早触发硬件OVP而断充，另外一级是硬件OVP，一旦触发就，开sink，发送EPT，关断Tx。

关于作者

黄工，担任伏达半导体产品经理多年, 熟悉可穿戴无线充发射&接收IC的市场，产品定义和开发流程，同时负责可穿戴无线充的产品定义以及产品规划等。他深谙可穿戴无线充产品的技术要点以及技术趋势，擅长总结与分析。

关于伏达半导体

伏达半导体(NuVolta Technologies)成立于2014年，是无线充电领域领先的半导体公司，专注于电源管理芯片及方案的研发及创新。伏达通过对工艺、设计、封装及电源系统构架的不断创新，持续为客户输出高性能、高效率、高可靠性的芯片产品及整体解决方案。我们的产品涵盖无线充电接收和发射芯片、有线快充芯片、显示电源芯片与汽车电源管理芯片等，助力客户持续拓展消费类电子、汽车电子、工业医疗等市场。伏达致力于让更多的用户感受科技创新所带来的便捷与乐趣。欲了解更多信息，请访问公司网站www.nuvoltatech.com，业务咨询请发邮件至sales@nuvoltatech.com。

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