TWS Earbuds کے لیے چارجنگ Pogo پن کیسے ڈیزائن کریں؟
TWS وائرلیس بلوٹوتھ ہیڈسیٹ ان سمارٹ پہننے کے قابل مصنوعات میں سے ایک ہے جو حالیہ برسوں میں مردوں، عورتوں اور بچوں کے پسندیدہ ہیں۔ یہ چھوٹا اور شاندار ہے، چارج کرنے میں آسان ہے، اور اس کی مختلف شکلیں ہیں۔ اسے چارجنگ کمپارٹمنٹ میں رکھ کر چارج کیا جا سکتا ہے۔ TWS بلوٹوتھ ہیڈسیٹ چارجنگ کمپارٹمنٹ میں بنیادی اجزاء میں سے ایک پوگوپین پوگو پن ہے۔ TWS ائرفون کو پوگو پن کے زنانہ سرے اور چارجنگ کمپارٹمنٹ میں مردانہ سرے کے درمیان رابطے کے ذریعے چارج کیا جا سکتا ہے۔ مارکیٹ میں موجود 80 فیصد برانڈز پوگو پن استعمال کرنے کا انتخاب کرتے ہیں۔
TWS ہیڈسیٹ چارجنگ باکس ایک مثالی کم طاقت والا وائرلیس چارجنگ منظر نامہ ہے۔ TWS وائرلیس بلوٹوتھ ہیڈسیٹ جو وائرلیس چارجنگ کو سپورٹ کرتا ہے، چارجنگ باکس میں ایک بلٹ ان وائرلیس چارجنگ وصول کرنے والا ماڈیول ہے، جسے وائرلیس چارجنگ موبائل فون کی طرح چارج کرنے کے لیے وائرلیس چارجر پر رکھا جا سکتا ہے، وائرلیس چارجنگ کو محسوس کرتے ہوئے۔ بلوٹوتھ پلس وائرلیس چارجنگ کا "واقعی وائرلیس" فنکشن بہتر صارف کا تجربہ رکھتا ہے اور اسے TWS سچے وائرلیس بلوٹوتھ ہیڈسیٹ کی حتمی شکل سمجھا جاتا ہے۔
اب TWS ائرفونز کو تقریباً لمبے ہینڈلز اور ہیڈ فون ہیڈ کے ڈیزائن میں کوکلیئر قسم کی بین انکرت کی شکلوں کے ساتھ نیم میں کان کی اقسام میں تقسیم کیا گیا ہے۔ ائرفون کی شکل نسبتاً محدود ہے، اس لیے چارجنگ اور چارجنگ کا ڈیزائن ایک اہم پیش رفت بن گیا ہے۔ تصویر ٹھیک ہے چارجنگ کمپارٹمنٹ میں تھوڑی جدت آئی ہے، دو رنگوں کے انجیکشن مولڈنگ کے عمل، ایک سیاہ اور شفاف ظہور، اور اندرونی ساخت کے ڈیزائن کا استعمال کرتے ہوئے، اور پاور ڈسپلے کے ساتھ، ایک اعلیٰ معیار کا، ہائی ٹیک احساس پیدا کیا ہے!
TWS ہیڈ فون کے سات ڈیزائن چیلنجز پر کیسے قابو پایا جائے؟
بجلی کے نقصان کو کم سے کم کرنے سے لے کر اسٹینڈ بائی ٹائم کو بڑھانے تک TWS ہیڈ فون ڈیزائن میں کچھ مشکل ترین چیلنجوں کو حل کرنے میں مدد کرنے کے لیے کچھ نکات یہ ہیں۔
2016 میں Apple AirPods کی ریلیز کے بعد سے، حقیقی وائرلیس سٹیریو (TWS) مارکیٹ میں سالانہ 50 فیصد سے زیادہ اضافہ ہوا ہے۔ ان مقبول وائرلیس ائرفونز بنانے والے اپنی مصنوعات میں فرق کرنے کے لیے تیزی سے مزید خصوصیات (شور کینسلیشن، نیند اور صحت کی نگرانی) شامل کر رہے ہیں، لیکن ان تمام خصوصیات کو شامل کرنا ڈیزائن انجینئرنگ کے نقطہ نظر سے مشکل ہو سکتا ہے۔ اس مضمون میں، میں ان چیلنجوں کا جائزہ لوں گا۔
چیلنج 1: موثر چارجنگ کے ذریعے بجلی کے نقصان کو کم کریں۔
وائرلیس ائرفون کے ساتھ ایک بڑا چیلنج یہ ہے کہ جب بیٹری کے کمپارٹمنٹ میں ایئربڈز پوری طرح سے چارج ہو جائیں تو پلے بیک کا زیادہ وقت حاصل کرنا ہے۔ اس صورت میں، ایک لمبا کل پلے ٹائم ان سائیکلوں کی تعداد کا ترجمہ کرتا ہے جو کیس اپنی پوری زندگی میں ایئربڈز کو چارج کر سکتا ہے۔ مقصد چارجنگ کیس سے ایئربڈز تک بجلی کی کھپت کو کم سے کم کرتے ہوئے موثر چارجنگ کو فعال کرنا ہے۔
چارجنگ کیس ایئربڈز کو چارج کرنے کے لیے ان پٹ کے طور پر بیٹری سے ایک وولٹیج نکالتا ہے۔ عام حل ایک مقررہ 5V آؤٹ پٹ کے ساتھ ایک بوسٹ کنورٹر ہے، جو ایک سادہ حل ہے لیکن چارجنگ کی کارکردگی کو بہتر نہیں کرتا ہے۔ چونکہ ایئربڈ بیٹریاں بہت چھوٹی ہیں، ڈیزائنرز اکثر لکیری چارجرز استعمال کرتے ہیں۔ فکسڈ 5V ان پٹ استعمال کرتے وقت، چارجنگ کی کارکردگی بہت کم ہوتی ہے - تقریباً (V in - 5 bats) / 5 in - اور بیٹری پر وولٹیج کی بڑی کمی پیدا کرتی ہے۔ اوسطاً 3.6V Li-Ion بیٹری وولٹیج (نصف ڈسچارج) میں لگائیں اور 5V ان پٹ صرف 72 فیصد موثر ہے۔
اس کے برعکس، چارجنگ کیس میں ایڈجسٹ ایبل آؤٹ پٹ بوسٹ یا بکس بوسٹ کنورٹر استعمال کرنے سے ایئربڈز کی مخصوص وولٹیج رینج سے تھوڑا اوپر وولٹیج پیدا ہوتا ہے۔ اس کے لیے چارجنگ کیس سے ایئربڈز تک مواصلت کی ضرورت ہوتی ہے، جو چارجنگ کیس کے آؤٹ پٹ وولٹیج کو وولٹیج بڑھنے کے ساتھ ہی ایئربڈز کی بیٹری میں متحرک طور پر ایڈجسٹ کرنے کی اجازت دیتا ہے۔ یہ نقصانات کو کم کرے گا، چارجنگ کی کارکردگی میں اضافہ کرے گا، اور نمایاں طور پر گرمی کو کم کرے گا۔
چیلنج 2: فعالیت کو ہٹائے بغیر مجموعی حل کو اسکیل کریں۔
دوسرا چیلنج چھوٹی بیٹری کے ڈیزائن کا عمومی چیلنج ہے - ایک ایسی بیٹری کو کیسے ڈیزائن کیا جائے جو سائز میں چھوٹی اور کام میں بڑی ہو۔ یہاں آسان حل یہ ہے کہ زیادہ مربوط اجزاء کے ساتھ ڈیوائس کا انتخاب کریں۔ مثال:
ایک اعلی کارکردگی والا لکیری چارجر جو مین سسٹم بلاک کو پاور کرنے کے لیے اضافی پاور ریلوں کو مربوط کرتا ہے اور وائرلیس ہیڈ فون کے لیے ایک اچھا انتخاب ہے۔
بجلی کے بھوکے، کم وولٹیج کے ماڈیولز جیسے پروسیسرز اور وائرلیس کمیونیکیشن ماڈیولز کے لیے، سویپ ریلز کارکردگی کے لیے بہترین انتخاب ہیں۔
ایسے سینسر بلاکس کے لیے جنہیں زیادہ پاور کی ضرورت نہیں ہوتی لیکن کم شور کی ضرورت ہوتی ہے، کم ڈراپ آؤٹ ریگولیٹر استعمال کرنے پر غور کریں۔
اگر آپ کے وائرلیس ہیڈ فون خون کی آکسیجن اور دل کی دھڑکن کی پیمائش کرنے کے لیے اینالاگ فرنٹ اینڈ سینسرز کو مربوط کرتے ہیں، تو آپ کو بوسٹ کنورٹر کی بھی ضرورت پڑ سکتی ہے۔
چارجر کے فارم فیکٹر کو چھوٹا کرنے کے لیے اضافی پاور ریلوں کو اس میں ضم کریں۔ تاہم، چھوٹے سائز کے لیے زیادہ انضمام اور لچک کے لیے زیادہ مجرد انٹیگریٹڈ سرکٹس (ICs) کے استعمال کے درمیان ہمیشہ ایک تجارت ہوتی ہے۔
چیلنج 3: اسٹینڈ بائی ٹائم بڑھائیں۔
اسٹینڈ بائی ٹائم اہم ہے کیونکہ صارفین چارجنگ کیس کے باہر طویل عرصے تک غیرفعالیت کے بعد بھی ہیڈ فونز سے موسیقی بجانے کی توقع رکھتے ہیں۔ ایئربڈز میں زیادہ توانائی کی کثافت والی لیتھیم آئن بیٹریاں استعمال کرنے پر غور کریں، جن میں عام طور پر زیادہ وولٹیج ہوتے ہیں، جیسے کہ 4.35 وولٹ اور 4.4 وولٹ، تاکہ زیادہ توانائی کو ذخیرہ کیا جا سکے۔ مکمل چارج اسٹینڈ بائی ٹائم کو بھی بڑھاتا ہے۔ ایک بیٹری چارجر جس میں ایک چھوٹا سا ٹرمینیشن کرنٹ اور زیادہ درستگی ہے اسٹینڈ بائی ٹائم کو بڑھانے میں مدد کرے گا۔ اگر ٹرمینیشن کرنٹ کی تصریح میں بڑی تبدیلی آتی ہے، تو آپ کو زیادہ ٹرمینیشن کرنٹ ہو سکتا ہے، جو قبل از وقت ختم ہونے اور کم بیٹری کا باعث بن سکتا ہے۔
ایک 41mAh بیٹری 1mAh بمقابلہ 4mAh پر ختم ہوئی۔ اگر برائے نام 1mA ٹرمینیشن کرنٹ وسیع پیمانے پر مختلف ہوتا ہے اور درحقیقت 4mA پر ختم ہوتا ہے، تو 2mAh بیٹری کی گنجائش بے فائدہ رہے گی۔ کم ٹرمینیشن کرنٹ اور زیادہ درستگی بیٹری کی موثر صلاحیت کو بڑھاتی ہے۔
مختلف آپریٹنگ طریقوں میں اسٹینڈ بائی ٹائم کو طول دینے کے لیے کم خاموش کرنٹ (IQ) بھی اہم ہے۔ پاور پاتھ اور قریب صفر شپ موڈ کرنٹ والا چارجر آئی سی پروڈکٹ کے صارفین تک پہنچنے سے پہلے بیٹری کو ختم ہونے سے روکے گا، جس سے فوری استعمال ممکن ہو گا۔ پاور پاتھ کو بیٹری اور سسٹم کے درمیان میٹل آکسائیڈ سیمی کنڈکٹر فیلڈ ایفیکٹ ٹرانزسٹر لگانے کی ضرورت ہوتی ہے تاکہ نظام اور بیٹری کے راستوں کو بالترتیب منظم کیا جا سکے۔
جب ایئربڈز میوزک چلا رہے ہوں یا سست ہو رہے ہوں تو سسٹم کی موجودہ کھپت کو جتنا ممکن ہو کم ہونا چاہیے۔ کم چارجر تلاش کرنے سے میں سسٹم کے I کو بھی کم کرتا ہوں۔ مثال کے طور پر، بیٹری چارجرز کو بیٹری کے درجہ حرارت کی پیمائش کے لیے اکثر منفی درجہ حرارت کوفیشینٹ (NTC) ریزسٹر نیٹ ورک کی ضرورت ہوتی ہے۔
بیٹری موڈ میں کام کرتے وقت مارکیٹ میں کچھ حل NTC کرنٹ کو بند نہیں کر سکتے ہیں۔ وہ یا تو بہت زیادہ لیک ہوتے ہیں (لیکیج 200µ سے زیادہ ہو سکتا ہے جب NTC نیٹ ورک میں 20 kΩ ہو) یا اضافی I/O کی ضرورت ہوتی ہے اور اسے سوئچ سے آف کر دیتے ہیں۔
چیلنج 4: سیکیورٹی ڈیزائن
بیٹری پیک مینوفیکچررز کے پاس بیٹریوں کو مختلف درجہ حرارت پر چارج کرنے کے لیے اکثر رہنما خطوط ہوتے ہیں، اور بیٹریاں استعمال کے دوران ان محفوظ آپریٹنگ علاقوں میں ہی رہیں۔ کچھ کو معیاری پروفائل کی ضرورت ہوتی ہے جہاں چارجنگ گرم اور ٹھنڈے درجہ حرارت کی حد سے باہر رک جاتی ہے۔ مثال کے طور پر، دوسری کمپنیوں کو جاپان الیکٹرانکس اینڈ انفارمیشن ٹیکنالوجی ایسوسی ایشن سے مخصوص معلومات درکار ہو سکتی ہیں۔ درجہ حرارت کے ان پروفائلز کی تعمیل کرنے کے لیے، ضروری بلٹ ان یا کچھ I twoC پروگرامیبلٹی والا پروفائل تلاش کریں۔ BQ21061 اور BQ25155 میں درجہ حرارت کی کھڑکی اور درجہ حرارت کی مخصوص حد کے اندر کی جانے والی کارروائیاں سیٹ کرنے کے لیے رجسٹر ہوتے ہیں۔
بیٹری انڈر وولٹیج لاک آؤٹ (UVLO) ایک اور حفاظتی خصوصیت ہے جو بیٹری کو زیادہ ڈسچارج ہونے سے روکتی ہے اور اس طرح دباؤ ڈالتی ہے۔ ایک بار جب بیٹری کا وولٹیج ایک مخصوص حد سے نیچے آجاتا ہے، UVLO خارج ہونے والے راستے کو کاٹ دیتا ہے۔ مثال کے طور پر، 4.2V پر چارج ہونے والی Li-Ion بیٹری کے لیے، ایک عام کٹ آف تھریشولڈ 2.8V سے 3V ہے۔
چیلنج 5: سسٹم کی وشوسنییتا کو یقینی بنانا
کم سسٹم کی وشوسنییتا کی وجہ سے کچھ مائکرو پروسیسرز پھنس گئے جب صارف اڈاپٹر میں پلگ لگا۔ اگرچہ یہ نایاب ہے، اس کے لیے سسٹم پاور ری سیٹ کی ضرورت ہوتی ہے تاکہ مائیکرو پروسیسر دوبارہ شروع ہو کر معمول پر آ سکے۔ کچھ بیٹری چارجرز ہارڈویئر ری سیٹ واچ ڈاگ ٹائمر کو انٹیگریٹ کرتے ہیں جو ہارڈویئر ری سیٹ یا پاور سائیکل (اگر نہیں) انجام دیتا ہے تو صارف کی طرف سے اڈاپٹر کے پلگ ان ہونے کے کچھ دیر بعد دو C ٹرانزیکشنز کا پتہ چل جاتا ہے۔ سسٹم ری سیٹ ہونے کے بعد، پاور پاتھ منقطع ہو جاتا ہے اور بیٹری اور سسٹم سے دوبارہ منسلک ہو جاتا ہے۔
ہارڈ ویئر ری سیٹ واچ ڈاگ ٹائمر کی طرح، روایتی سافٹ ویئر واچ ڈاگ ٹائمر بھی ٹو سی میں بغیر کسی لین دین کے چارجر رجسٹر کو اس کی ڈیفالٹ ویلیو پر دوبارہ ترتیب دے کر سسٹم کی وشوسنییتا کو بہتر بنانے میں مدد کرتا ہے۔ یہ ری سیٹ بیٹری کو غلط طریقے سے چارج ہونے سے روکتا ہے جب مائکرو پروسیسر خراب حالت میں ہو۔
چیلنج 6: بہترین آپریٹنگ ایریاز کی نگرانی کریں۔
چھٹا چیلنج سسٹم کے پیرامیٹرز کی نگرانی کرنا ہے، جسے بلٹ ان ہائی پریسجن اینالاگ ٹو ڈیجیٹل کنورٹر (ADC) کے ذریعے مؤثر طریقے سے حاصل کیا جا سکتا ہے۔ بیٹری وولٹیج کی پیمائش کرنا ایک اچھا پیرامیٹر ہے کیونکہ یہ ایک آسان فراہم کرتا ہے، اگرچہ تقریباً، بیٹری کی چارج کی حالت کی نمائندگی کرتا ہے۔ انگوٹھے کے اصول کے طور پر، اگر وائرلیس ہیڈسیٹ کو درکار چارج کی حالت ±5 فیصد سے زیادہ ہے۔
بلٹ میں اعلی درستگی ADC آپ کو چارجنگ اور ڈسچارج کے دوران بیٹری اور بورڈ کے درجہ حرارت کی نگرانی اور کارروائی کرنے کی بھی اجازت دیتا ہے۔ دیگر پیرامیٹرز جن کی چارجر نگرانی کر سکتا ہے ان میں ان پٹ وولٹیج/کرنٹ، چارجنگ وولٹیج/کرنٹ، اور سسٹم وولٹیج شامل ہیں۔ بلٹ ان کمپیریٹر بھی آسانی سے مخصوص پیرامیٹرز کی نگرانی کرنے اور میزبان کو مداخلت بھیجنے میں مدد کرتا ہے۔ اگر پیرامیٹر نارمل رینج کے اندر ہے اور کمپیریٹر کو متحرک نہیں کیا گیا ہے تو میزبان کو دلچسپی کے پیرامیٹر کو مسلسل پڑھنے کی ضرورت نہیں ہے۔ BQ25155 سسٹم کے پیرامیٹرز کی نگرانی کے لیے ایک اچھی مثال ہے کیونکہ اس میں ADC اور کمپیریٹر ہے۔
چیلنج 7: وائرلیس کنیکٹیویٹی کو آسان بنائیں
کچھ وائرلیس ائرفون میں ایک خصوصیت ہوتی ہے جو ائرفون کی چارجنگ کی حالت اور اسمارٹ فون پر چارجنگ کیس کو ظاہر کرتی ہے جب ائرفون چارجنگ کیس میں ہوتے ہیں اور ڈھکن کھلا ہوتا ہے۔ اس کی حمایت کرنے کے لیے، ائرفونز کو کیس میں پلگ ان ہوتے ہی چارج کی حالت کی اطلاع دینی چاہیے، چاہے بیٹری ختم ہو جائے۔ چارجنگ کی حالت کی اطلاع دینے کے لیے مین چپ کا بیدار ہونا ضروری ہے، اس لیے اس صورت میں، بیرونی طاقت کا ذریعہ ایئربڈز کو طاقت دے رہا ہوگا۔ پاور پاتھ والا چارجر کم وولٹیج پر بیٹری چارج کرتے وقت سسٹم کو VBU سے زیادہ وولٹیج حاصل کرنے کے قابل بناتا ہے۔
وائرلیس ہیڈ فون چارجر کی متعدد خصوصیات (جیسے جہاز کا موڈ، سسٹم پاور ری سیٹ، بیٹری UVLO، درست ٹرمینل کرنٹ، اور فوری چارج اسٹیٹس رپورٹنگ) پاور پاتھ کی صلاحیت کے بغیر ممکن نہیں ہے، جس کے لیے بیٹری اور سسٹم A MOSFET دونوں کی ضرورت ہوتی ہے۔ نظام اور بیٹری کے راستوں کا الگ الگ انتظام کرنے کے لیے درمیان میں۔ شکل 5 چارجر کو پاور پاتھ کے ساتھ اور بغیر دکھاتا ہے۔
بیٹری کے سائز اور چارجنگ کی شرح کے لحاظ سے چارجنگ کیس کے ڈیزائن میں سوئچنگ اور لکیری چارجرز دیکھے جا سکتے ہیں۔ سوئچنگ چارجرز زیادہ کارآمد ہوتے ہیں اور کم گرمی پیدا کرتے ہیں، جو کہ 700mA اور اس سے اوپر کے ہائی کرنٹ کے لیے اہم ہے۔ سوئچنگ چارجرز عام طور پر ایک مربوط بوسٹ یا فالو فنکشن کے ساتھ آتے ہیں جو بیٹری وولٹیج کو بڑھاتا ہے اور ایئربڈز کو چارج کرنے کے لیے ان پٹ وولٹیج فراہم کرتا ہے۔ لکیری چارجرز کم کرنٹ لیول کے بیٹری باکسز کے لیے بھی ایک اچھا انتخاب ہیں کیونکہ یہ کم قیمت اور کم IQ پیش کرتے ہیں۔
ریچارج ایبل ہیئرنگ ایڈز اسی طرح کے ڈیزائن چیلنجز پیش کرتے ہیں۔ وہ عام طور پر ایئربڈز سے چھوٹے ہوتے ہیں تاکہ وہ پوشیدہ ہوں اور اس لیے چھوٹے علاقے میں زیادہ پاور انٹیگریشن کی ضرورت ہوتی ہے۔ اعلی آڈیو وضاحت کے لیے انہیں کم شور والی پاور ریلز کی بھی ضرورت ہوتی ہے، بشمول ایک سوئچڈ کپیسیٹر ٹوپولوجی۔