耳机芯片电路、TWS耳机及控制方法

技术领域

本发明涉及电子电路领域，特别涉及一种耳机芯片电路、TWS耳机及控制方法。

背景技术

TWS即真无线立体声蓝牙耳机，TWS突破于传统蓝牙耳机之处在于真无线，省去了传统蓝牙耳机的左右耳的有线连接，苹果公司2016年发布第一款tws开启了tws耳机的新时代，从2016到2022整个tws行业也经过了7年的高速发展。一代代的产品也在不断迭代技术更新，比如从最早期的RF性能不好卡顿频繁，左右耳连接慢，单耳使用限制等体验痛点不断完善解决，用户体验的要求也越来越高，整个行业的聚焦点也越来越细。

TWS系统除了一对耳机之外还有一个收纳盒也就是我们说的充电仓，字面上理解就是类似于充电宝的东西可以给耳机充电，手机搭配充电宝，tws耳机搭配充电仓，确实早期对充电仓的定义就是单纯给耳机充电，用户取出耳机按键开机后就可以听歌，听完歌后再关机丢进充电仓给耳机充电，但前面说道经过了技术的更新迭代，充电仓的功能绝不仅仅是给耳机充电这么简单，当下热点为智能充电仓实现和耳机的智能交互，充电仓不仅给耳机充电，还要实现和耳机开关机交互，与耳机实时通信交互各种信息让仓和耳机实现智能互联，这里的关键技术就是仓和耳机的智能交互。仓和耳机只有2个接触点，一根信号一根地，实现通信充电开关机交互。本发明聚焦点为充电仓和耳机的开关机控制交互。目前仓和耳机的开关机交互分为以下四种：

第一种按键开关机技术:耳机从仓内取出后需要按耳机上的按键让耳机开机，耳机使用完后按按键让耳机关机后入仓充电，这个是早期的技术，用户体验繁琐，现在基本淘汰，仓和耳机完全独立没有交互，对仓和耳均没有特殊的技术要求。

第二种发码通信开关机技术:充电仓开盖耳机就立即开机，耳机使用完毕后入仓关盖耳机就关机，比如苹果的airpods就是这种方式，用户体验非常好，不需要额外的手动按按键开关机，这种通常需要充电仓带霍尔开关还需要充电仓和耳机可以单线通信(单线双向的uart通信，单线单向的VBUS通信)，仓开盖后给耳机发开机指令，仓关盖后给耳机发关机指令，仓给耳机充满电后给耳机发掉电指令进超低功耗模式，这种仓设计是最复杂的成本也是最高的。

第三种是中间电平开关机技术:仓开盖后取出耳机开机，耳机使用关闭后入仓关机充电，充满电后仓和耳机进超低功耗模式，这种仓和耳机通常没有通信交互，全靠仓给耳机输出的电平进行控制，仓休眠的时候为省功耗会将输出5V降低到一个中间电平(通常3V左右)，仓会有耳机插拔检测功能，仓检测到耳机入仓后开启5V给耳机充电，给耳机充满电后5V降低到一个中间电平，对耳机来说遇到5V就关机充电，遇到5V降到中间电平就进超低功耗模式，遇到5V或者中间电平拔出就开机。这种仓不带通信通常成本会第一点，但用户体验也非常好所以应用也十分广泛。

第四种为5V常开电平开关机技术:仓开盖后取出耳机开机，耳机使用关闭后入仓关机充电，充满电后仓和耳机进超低功耗模式这种和第三种只有一点不一样，这种技术仓不会有中间电平会一直输出5V，对耳机来说遇到5V就关机充电，耳机自身检测到充满电就进超低功耗模式，耳机遇到5V拔出就开机，这种仓对仓的升压模块要求很高，需要升压模块在轻载的时候功耗及低(小于10ua)，这种仓稳定可靠设计简单，但需要芯片原厂提供优秀的低功耗升压模块。

通过前面的介绍我们可以看到中间电平开关机或5V常开开关机有一个边界场景:仓彻底没电即仓0V的时候耳机如果在仓内就会出现仓内开机，而仓内开机是当下所有厂商的大忌。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种耳机芯片电路、TWS耳机及控制方法，能够零成本零风险解决仓0V耳机仓内开机问题。

本发明实施例一方面提供一种耳机芯片电路，包括：脉冲发生电路，与VBUS端连接，用于发送高频脉冲序列；脉冲检测电路，与VBUS端连接，用于检测所述高频脉冲序列，若检测到原始的所述高频脉冲序列，则发送第一信息至开关机电路；所述开关机电路，用于接收所述第一信息，使耳机开机，完成开机后反馈第二信息至所述脉冲发生电路，使所述脉冲发生电路停止发送高频脉冲序列。

根据本发明的一些实施例，所述脉冲检测电路包括：第一比较器，用于检测VBUS的电压是否被移除，若是，则通过第一输出端输出第三信号至所述脉冲发生电路，使所述脉冲发生电路启动工作；第二比较器，用于检测VBUS上的脉冲序列，并将其与原始的所述高频脉冲序列比较，得到比较结果并通过第二输出端反馈至所述开关机电路。

根据本发明的一些实施例，所述脉冲发生电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管及第四晶体管：所述第一晶体管，漏极与VBUS端连接，栅极与所述脉冲检测电路的第一输出端连接，源极与所述第二晶体管连接；所述第二晶体管，源极与所述第一晶体管的源极连接，栅极与所述脉冲检测电路的第一输出端连接，漏极与所述第三晶体管和所述第四晶体管连接；所述第三晶体管，源极与电源端连接，栅极与数据选择器的输出端连接，漏极与所述第四晶体管连接；所述第四晶体管，源极与接地端连接，栅极与所述数据选择器的输出端连接，漏极与所述第三晶体管连接。

根据本发明的一些实施例，所述数据选择器包括：第一输入端，与双向通信单元连接；第二输入端，与脉冲逻辑控制单元连接；第三输入端，与单向通信单元连接。

本发明实施例另一方面提供一种TWS耳机，包括：如前文所述的耳机芯片电路。

本发明实施例另一方面提供一种控制方法，用于前文所述的耳机芯片电路，包括以下步骤：脉冲发生电路发送高频脉冲序列；脉冲检测电路检测所述高频脉冲序列，若检测到原始的所述高频脉冲序列，则发送第一信息至开关机电路；所述开关机电路接收所述第一信息，使耳机开机；完成开机后，所述开关机电路反馈第二信息至所述脉冲发生电路；所述脉冲发生电路停止发送高频脉冲序列。

根据本发明的一些实施例，在所述脉冲发生电路发送高频脉冲序列前，所述方法包括：所述脉冲检测电路的第一比较器检测VBUS的电压是否被移除，若是，则通过第一输出端输出第三信号至所述脉冲发生电路，使所述脉冲发生电路启动工作。

根据本发明的一些实施例，所述脉冲检测电路检测所述高频脉冲序列包括：所述脉冲检测电路的第二比较器检测VBUS上的脉冲序列，并将其与原始的所述高频脉冲序列比较，得到比较结果并通过第二输出端反馈至所述开关机电路。

根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：所述第一比较器实时检测VBUS上的高压，当检测到高压后发送第四信号控制所述脉冲发生电路的第一晶体管和第二晶体管，使所述第一晶体管和第二晶体管阻断脉冲发送出去。

本发明实施例至少具有如下有益效果：本发明通过耳机芯片VBUS管脚可以检测部容性负载，通过VBUS管脚发送可调脉冲序列实现外部容性负载检测来判断耳机是否真正出仓，做到了真正的零成本。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的脉冲发生电路和脉冲检测电路的结构示意图；

图3为本发明实施例的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个及两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

现有技术中，解决仓0V耳机仓内开机问题的方案有以下两种：

0V耳机仓内开机问题解决方案一:仓有三个触点，VBUS/GND/CTR这三个管脚，其中VBUS和GND就是常用的二个管脚即电源/通信和地，增加的一个POGO管脚是CTR，这根管脚在仓内有一个固定的下拉电阻将其拉到低电平，这里我们详细分析下是如何解决仓0V耳机开机问题的，耳机在仓内耳机端的VBUS是5V就在关机充电模式，如果VBUS是中间电平就处于超低功耗模式，耳机端的CTR被仓端下拉，如果是耳机从仓内取出在耳机端是有2个事件的:第一个事件耳机的VBUS检测到电平拔出，第二个事件耳机的CTR检测到下拉解除，这二个事件同时发生的时候就知道是耳机离仓了就可以开机。如果是仓彻底没电了但耳机还在仓内的情况耳机只能看到一个事件就是VBUS检测到电平拔出但CTR还是处于下拉状态，这样耳机就知道自身并没有离仓可能是仓没电了就不会开机，比较完美的解决了仓0V状态耳机开机的问题，但是很明显用到了3个POGO触点，增加了成本的同时也对产线良率把控提出更高的要求，毕竟三个触点一定比二个触点更难把握品控，所以这种方案采用的不多一般都是一些具备一定实力的厂商采用。

仓0V耳机仓内开机问题解决方案二:这种方案和方案一有异曲同工之处，只不过将增加的一个POGO触点换成霍尔检测了，所以用户看到的还是二个触点(VBUS和GND)，在耳机内部有一个霍尔传感器，仓内对应的位置有一个小型磁铁，当耳机入仓出仓的时候耳机的霍尔传感器就会给耳机指示出仓和入仓动作，所以即便是仓0V了耳机看到VBUS电平拔出，但霍尔指示耳机还在仓内，所以这种情况耳机也不会开机。只有当霍尔检测到出仓且VBUS拔出才会认为是真正出仓才会开机，这种解决方案和一其实也都差不多都是用成本和品控换来的，仓内本身就有二块磁铁吸附耳机，再增加二块磁铁还需要考虑空间磁力线这些问题不能让霍尔被其它磁铁干扰，所以不仅仅是增加2个小磁铁这么简单的事情，这种方案采用的其实也不多一般都是一些具备一定实力的厂商采用。

如前面描述现有的技术缺点主要有以下二点：

一、增加成本，无论是增加POGO触点还是增加霍尔传感器均是要增加额外成本的。

二、增加品控难度，目前主流均为2个触点POGO，增加成为3个POGO触点很明显会增大接触不良风险，目前耳机和充电仓均向着小型化发展，增加POGO触点也对整机模具设计也提出一定挑战。增加霍尔也有类似困扰，需要在充电仓再增加2个磁铁，由于磁铁有会影响升压模块的电感，以及仓内磁场分布都需要考虑，需要权衡众多因素以摆放增加的磁铁，整个设计难度增加不少。

本发明拟解决电平开关机方案的一个边界场景即仓0V状态耳机仓内开机问题，通过VBUS管脚发送可调高频脉冲去检测耳机端VBUS负载来判断耳机是否真正离仓，无需额外增加任何物料只需在耳机芯片内部增加本发明功能即可解决问题。

本发明实施例的耳机芯片电路包括：脉冲发生电路，与VBUS端连接，用于发送高频脉冲序列；脉冲检测电路，与VBUS端连接，用于检测高频脉冲序列，若检测到原始的高频脉冲序列，则发送第一信息至开关机电路；开关机电路，用于接收第一信息，使耳机开机，完成开机后反馈第二信息至脉冲发生电路，使脉冲发生电路停止发送高频脉冲序列。

参照图1，其中虚线框图内为耳机芯片内部电路，POGO+连接到充电仓升压电路的输出VOUT端，充电仓的VOUT可以输出5V和中间电平，耳机入仓后POGO+就接触到了耳机的VBUS管脚，耳机端的VBUS管脚可以检测电平状态，比如检测是5V还是中间电平。本发明的核心思路是耳机端VBUS管脚通过发送可调脉冲到POGO后再通过内部的检测电路检测发送的脉冲，再对比发送的脉冲即可精准的判断POGO+上是否有容性负载进而判断耳机是否真正离仓。

通常充电仓的升压模块输出都会有一个1UF～10UF的电容，耳机端VBUS管脚检测到电平拔出后需要进一步判断是否离仓，这里脉冲发送电路会发高频脉冲序列，如果耳机未离仓，因为VBUS连接的仓端有电容，电容的充放电会让输出的高频脉冲失真或直接消掉，这样耳机芯片内部的脉冲检测电路是收不到原始脉冲或收到的是失真的脉冲序列这样就可以认为是仓0电量了，再将信息传递给开关机电路不让耳机开机。如果脉冲检测电路检测到的就是原始脉冲序列，可以认为耳机的VBUS电平拔出是出仓导致的这样脉冲检测电路就可以传递信息给开关机电路让耳机开机。完成开机后开关机电路反馈信息给脉冲发生电路停止脉冲发送。

还有一个设计核心就是VBUS脉冲发生电路一定是在VBUS上没有电压的时候触发工作的，这样会避免耳机充电的时候即VBUS是5V与脉冲发生电路发生冲突。另外即便在耳机处于充电状态即VBUS为5V的状态下因为软件处理不得当错误的发生了脉冲序列，也会在耳机芯片内部有保护机制防止芯片内部脉冲发送电路被损坏导致功能失效。

脉冲发生电路的脉宽根据电容的大小可以软件灵活调整，电容越小需要发生的脉冲频率越高，本发明可以支持最小的POGO+电容为0.1UF，基本覆盖了目前所有主流设计的充电仓方案。

本发明整个检测流程全程硬件自动完成，只需将最终的检测结果告知软件，再由软件决定开关机行为，整个流程稳定可靠不需要过多的软件参与。

在一些实施例中，脉冲检测电路包括：第一比较器，用于检测VBUS的电压是否被移除，若是，则通过第一输出端输出第三信号至脉冲发生电路，使脉冲发生电路启动工作；第二比较器，用于检测VBUS上的脉冲序列，并将其与原始的高频脉冲序列比较，得到比较结果并通过第二输出端反馈至开关机电路。

在一些实施例中，脉冲发生电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管及第四晶体管：第一晶体管，漏极与VBUS端连接，栅极与脉冲检测电路的第一输出端连接，源极与第二晶体管连接；第二晶体管，源极与第一晶体管的源极连接，栅极与脉冲检测电路的第一输出端连接，漏极与第三晶体管和第四晶体管连接；第三晶体管，源极与电源端连接，栅极与数据选择器的输出端连接，漏极与第四晶体管连接；第四晶体管，源极与接地端连接，栅极与数据选择器的输出端连接，漏极与第三晶体管连接。

参照图2，脉冲发生电路和脉冲检测电路，其中Q0,Q1,Q2,Q3,U2组成脉冲发生电路，U0,U1组成脉冲检测电路，这里从电路级再细述整个过程：

图2U0和U1组成脉冲检测电路，其中U0这个比较器功能0是检测VBUS的电压是否被移除，如果VBUS电压被移除U0比较器就会输出Vbus_detec信号给到脉冲发生电路以启动脉冲发生电路工作。U0比较器功能1是防止VBUS上有高压存在的时候脉冲发生电路产生脉冲和5V冲突,原理是U0实时的检测VBUS上的高压，当检测到高压后由Protect_detect信号控制Q0和Q1让其截至阻断脉冲发送出去。

U1是脉冲检测电路的脉冲比较部分，检测VBUS上的脉冲序列并和原始脉冲进行比较，将比较结果反馈到开关机电路由软件决定是否开关机，同时开关机电路也会将开关机结果反馈到脉冲发生电路让其关闭或继续发送脉冲。

Q0,Q1,Q2,Q3,U2组成脉冲发生电路，U2由软件设置MODE_SEL选定脉冲逻辑控制单元，数字脉冲序列通过Q2/3后变为VCC-IO电压域脉冲，再经过Q0/Q1组成的双向开关发送到VBUS管脚处。

参照图3，本发明实施例的控制方法包括以下步骤：脉冲发生电路发送高频脉冲序列；脉冲检测电路检测高频脉冲序列，若检测到原始的高频脉冲序列，则发送第一信息至开关机电路；开关机电路接收第一信息，使耳机开机；完成开机后，开关机电路反馈第二信息至脉冲发生电路；脉冲发生电路停止发送高频脉冲序列。

可以理解的是，在脉冲发生电路发送高频脉冲序列前，控制方法包括：通过脉冲检测电路的第一比较器检测VBUS的电压是否被移除，若是，则通过第一输出端输出第三信号至脉冲发生电路，使脉冲发生电路启动工作。

其中，脉冲检测电路检测高频脉冲序列包括：脉冲检测电路的第二比较器检测VBUS上的脉冲序列，并将其与原始的高频脉冲序列比较，得到比较结果并通过第二输出端反馈至开关机电路。

在一些实施例中，本发明实施例的控制方法还包括：第一比较器实时检测VBUS上的高压，当检测到高压后发送第四信号控制脉冲发生电路的第一晶体管和第二晶体管，使第一晶体管和第二晶体管阻断脉冲发送出去。

尽管本文描述了具体实施方案，但是本领域中的普通技术人员将认识到，许多其它修改或另选的实施方案同样处于本公开的范围内。例如，结合特定设备或组件描述的功能和/或处理能力中的任一项可以由任何其它设备或部件来执行。另外，虽然已根据本公开的实施方案描述了各种例示性具体实施和架构，但是本领域中的普通技术人员将认识到，对本文所述的例示性具体实施和架构的许多其它修改也处于本公开的范围内。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。