تمثل سماعات true wireless stereo (TWS) اقصى درجات التصغير، اذ يجب وضع نظام صوتي كامل يضم Bluetooth radio وaudio codec ومكبر الصوت وادارة البطارية ومعه في كثير من المنتجات الحديثة خاصية الالغاء النشط للضوضاء داخل حجم يقل عن 5 سم³ لكل سماعة. لذلك يجب على تصميم PCB ان يحقق هذه الوظائف تحت قيود مساحة قاسية جدا، مع الحفاظ في الوقت نفسه على جودة الصوت وعمر البطارية وراحة الارتداء التي تحد ايضا من الوزن المسموح به.
يستعرض هذا الدليل تحديات PCB الخاصة بسماعات TWS، بما في ذلك تقنيات بناء اللوحات فائقة الصغر، وتنفيذ Bluetooth LE Audio ضمن هوائيات صغيرة جدا، وادارة البطارية لخلايا coin cell، ودمج مكونات الصوت، وعمليات التصنيع القادرة على الحفاظ على الجودة بالدقة التي تتطلبها الالكترونيات القابلة للارتداء.
In This Guide
- بناء PCB فائق الصغر لسماعات الاذن
- Bluetooth LE Audio وتصميم الهوائي
- ادارة البطارية لتغذية coin cell
- تنفيذ المسار الصوتي في مساحة محدودة جدا
- دمج المستشعرات: ANC والتحكم باللمس
- التصنيع الدقيق للالكترونيات القابلة للارتداء
بناء PCB فائق الصغر لسماعات الاذن
تكون لوحات سماعات TWS عادة اقل من 15 مم × 10 مم، مع اشكال غير منتظمة تتبع تشريح الاذن. هذا المستوى الشديد من التصغير يفرض استخدام تقنية HDI وبناء via-in-pad، وفي كثير من الحالات مكونات سلبية بمقاس 0201 او 01005 للوصول الى الوظائف المطلوبة.
المساحة الصغيرة جدا للوحة تقلل كمية النحاس المتاحة لتوزيع الحرارة وحمل التيار. وهذا عامل حرج لان ارسال Bluetooth وتضخيم الصوت والشحن كلها تولد حرارة يصعب على الغلاف الصغير تبديدها بكفاءة.
متطلبات بناء HDI
- بنية الطبقات: من الشائع في TWS استخدام HDI بعدد 3-4 طبقات؛ تتيح مكدسات microvia عمل fanout للدوائر المتكاملة ذات pitch الدقيق؛ كما تنتشر بنى 1+2+1 و2+2+2.
- تصميم via-in-pad: تتضمن pads المكونات vias مملوءة ومغلقة من اجل escape routing؛ ويعد السطح المستوي تماما ضروريا لمكونات 0201 وما هو اصغر.
- قدرة line/space: يحتاج routing الكثيف الى 50/50 μm او ادق؛ بينما تتطلب التصاميم الاكثر صعوبة 40/40 μm عند الاقتراب من كثافة الهواتف الذكية.
- سماكة اللوحة: تسمح سماكة كلية من 0.4 الى 0.6 مم بتكديس اللوحة مع البطارية؛ اما اللوحات الانحف فتحتاج الى تعامل شديد الحذر اثناء التجميع.
- تصغير المكونات: تعد المكونات السلبية 0201 هي المعيار؛ ويستخدم 01005 في المناطق الاكثر ازدحاما؛ وتقلل حزم WLCSP ارتفاع الدوائر المتكاملة ومساحتها المشغولة.
- المحيط غير المنتظم: تستفيد الاشكال المخصصة من المساحة الداخلية للغلاف الى اقصى حد؛ ويساعد tab routing او depaneling بالليزر في الحفاظ على جودة الحواف من اجل تلاؤم محكم.
وغالبا لا يمكن الوصول الى هذه الكثافة الا عبر تصنيع PCB HDI مع قدرات متقدمة في microvia والخطوط الدقيقة.
Bluetooth LE Audio وتصميم الهوائي
يؤثر اداء هوائي Bluetooth بشكل مباشر على استقرار الاتصال والمدى وعمر البطارية. ويكمن التحدي في تحقيق اداء كاف عندما يكون حجم الجهاز بالكامل اقل من 5 سم³، بينما تشغل البطارية والمشغل والالكترونيات جزءا كبيرا من هذا الحجم.
كما ان تحميل الجسم عند منطقة الاذن يغير سلوك الهوائي بشكل واضح. لذلك يجب ان تتم عملية الضبط وفقا لبيئة الاستخدام الفعلية، لا بالاعتماد على ظروف الفراغ فقط. ويزيد من صعوبة المهمة صغر مستوى الارضي المتاح على هذه اللوحات المصغرة.
ويتبع كل من التخطيط والتحكم في المعاوقة المبادئ نفسها المستخدمة في تصميم PCB عالي التردد.
استراتيجيات تنفيذ الهوائي
- خيارات الهوائي: توفر chip antennas حجما صغيرا ولكن بكفاءة اقل؛ بينما تحتاج الهوائيات المطبوعة على PCB الى منطقة خالية من الارضي؛ وتستفيد هوائيات LDS على الغلاف من المساحة المتاحة بشكل افضل.
- تاثير مستوى الارضي: تمنح لوحات TWS الصغيرة مرجعا ارضيا محدودا؛ لذا يجب ان ياخذ تصميم الهوائي الابعاد الحقيقية لهذا المرجع في الحسبان اثناء الضبط.
- تعويض تحميل الجسم: تؤدي قرب الاذن البشرية الى ازاحة الرنين؛ لذلك يجب استهداف return loss اقل من -10 dB مع تحميل الجسم عبر نطاق 2400-2483.5 MHz.
- تحسين الموضع: ينبغي ابعاد الهوائي عن البطارية باعتبارها عائقا معدنـيا، مع زيادة المسافة قدر الامكان عن الاجزاء المعدنية في المشغل.
- شبكة المطابقة: تعوض شبكات Pi او L فروقات التصنيع وتاثير الجسم؛ كما تساعد المكونات ذات Q المرتفع على الحفاظ على الكفاءة.
- اعتبارات التنوع: قد تستخدم السماعات المتميزة antenna diversity لتحسين الاستقبال، لكن ذلك يضيف تعقيدا اضافيا الى تبديل RF.
ولا يمكن ضبط اداء الهوائي بشكل موثوق الا عبر تحسين تجريبي يستند الى قياسات body phantom، لان المحاكاة وحدها لا تتنبأ بدقة بالسلوك عند الاستخدام على الجسم.
ادارة البطارية لتغذية coin cell
تستخدم سماعات TWS خلايا lithium polymer صغيرة بسعة 30-70 mAh، ويتم شحنها عبر pogo pins من علبة الشحن. ويجب ان تتولى دائرة ادارة البطارية الشحن والحماية وتقدير مستوى الشحن ضمن مساحة محدودة جدا، مع تعظيم الكفاءة لان كل milliwatt ينعكس مباشرة على زمن التشغيل.
ومع هذا الحجم الصغير من البطاريات تصبح current quiescent عاملا حاسما. فاستهلاك سكوني قدره 5 μA على بطارية سعتها 50 mAh يعني 1٪ من التفريغ الذاتي يوميا، وهو ما يؤثر بوضوح في التخزين والاداء في وضع الاستعداد.
تصميم دائرة البطارية
- BMS مدمج: تجمع الحلول احادية الشريحة بين الشاحن والحماية وfuel gauge؛ ويساعد تيار السكون الاقل من 1 μA على الحفاظ على زمن الاستعداد.
- واجهة الشحن: تؤثر مقاومة التلامس في pogo pin على تيار الشحن؛ لذلك يجب التصميم لمعدل 50-100 mA مع احتساب مقاومة تلامس نموذجية قدرها 50-100 mΩ.
- وظائف الحماية: تعد الحماية من الجهد الزائد (4.25 V) والجهد المنخفض (2.8 V) والتيار الزائد والقصر الكهربائي متطلبات الزامية لسلامة خلية الليثيوم.
- المراقبة الحرارية: يراقب NTC thermistor درجة حرارة الخلية؛ ويجب تعطيل الشحن تحت 0 °C وفوق 45 °C بحسب مواصفات البطارية.
- دقة fuel gauge: يتيح coulomb counting مع مقاومة استشعار 5-10 mΩ تقدير حالة الشحن؛ وتؤثر هذه الدقة مباشرة في موثوقية عرض الزمن المتبقي.
- مسار الطاقة: يتطلب تشغيل حمل النظام اثناء الشحن ادارة صحيحة لـ power path؛ ومن خلاله يتحدد ما اذا كان النظام يعمل من البطارية او من مدخل الشحن.
وتعد ادارة البطارية الفعالة عاملا مهما في اطالة زمن التشغيل، وهي ميزة تنافسية اساسية يجب اخذها في الاعتبار منذ مرحلة تخطيط stackup للـ multilayer PCB.
تنفيذ المسار الصوتي في مساحة محدودة جدا
يجب ان يحقق المسار الصوتي من Bluetooth decoder مرورا بالمكبر وصولا الى السماعة جودة الصوت المطلوبة، مع شغل اقل مساحة ممكنة واستهلاك اقل قدر من الطاقة. ولهذا تهيمن مضخمات filterless Class-D على تصاميم TWS، حيث تعتمد على inductance الخاصة بالسماعة من اجل ترشيح الخرج.
ويعتمد ادراك جودة الصوت على الاستجابة الترددية والتشويه ومدى تطابق القناتين اليمنى واليسرى. اما المشغلات الصغيرة بقطر 5-7 مم فتقيد استجابة الجهير، مما يجعل المعادلة الالكترونية ضرورة فعلية.
تنفيذ دائرة الصوت
- اختيار DAC: تكون DAC المدمجة داخل Bluetooth SoC كافية لمعظم التطبيقات؛ اما DAC المنفصلة فتستخدم غالبا في المنتجات المتميزة الموجهة الى شريحة عشاق الصوت.
- بنية المكبر: يزيل filterless Class-D ملف الخرج والمكثف؛ لكنه يحتاج الى سماعة متوافقة ويعتمد على inductance الخاصة بالكابل او المشغل من اجل الترشيح.
- كفاءة الطاقة: تمثل كفاءة 85-90٪ في Class-D عاملا حاسما لعمر البطارية؛ لذلك ينبغي تجنب المضخمات الخطية رغم بساطتها لان خسارتها الطاقية كبيرة جدا.
- مطابقة السماعة: يجب ان تتوافق معاوقة خرج المكبر مع معاوقة المشغل لتحقيق اقصى نقل للطاقة؛ وتكون قيم المشغلات النموذجية بين 16 و32 Ω.
- تنفيذ EQ: تعوض المعادلة المعتمدة على DSP الاستجابة المحدودة للمشغلات الصغيرة؛ ومن الشائع تعزيز الترددات دون 200 Hz مع ضبط نطاق الحضور بين 2 و6 kHz.
- مطابقة القنوات: يتطلب التطابق بين القناتين اليسرى واليمنى اختيارا متسقا للمكونات مع المعايرة؛ واي mismatch يضعف الصورة الستيريو المسموعة.
ويحتاج الحفاظ على اداء صوتي جيد بهذا المستوى من التصغير الى اختيار مكونات دقيق وتخطيط نظيف، لان اقتران الضوضاء يضعف الاداء بسرعة في التصاميم الكثيفة.
دمج المستشعرات: ANC والتحكم باللمس
تتضمن سماعات TWS المتميزة خاصية الالغاء النشط للضوضاء (ANC)، مع ميكروفونات خارجية لالتقاط الضوضاء المحيطة وميكروفونات داخلية لتصحيح الخطا ومعالجة DSP لتوليد anti-noise. كما تضيف عناصر التحكم باللمس استشعارا سعويا، ما يفرض وجود دوائر تناظرية حساسة بالقرب الشديد من انظمة RF والانظمة الرقمية.
ويؤدي تطبيق ANC الى مضاعفة عدد الميكروفونات او حتى زيادته ثلاثة اضعاف مقارنة بالسماعات الاساسية. وكل ميكروفون يحتاج الى تصميم صوتي وتخطيط كهربائي دقيقين للوصول الى مستوى الالغاء المطلوب.
تنفيذ المستشعرات
- تهيئة ميكروفونات ANC: من الشائع الجمع بين feed-forward microphones الخارجية وfeedback microphones الداخلية؛ ويمنح ANC الهجين باستخدام الاثنين افضل اداء لكنه يزيد التعقيد.
- مطابقة الميكروفونات: يحتاج ANC الفعال الى ميكروفونات متقاربة جدا في خصائصها؛ وعادة تحدد سماحية حساسية ±1 dB مع توافق جيد في الطور.
- الاستشعار باللمس: يتطلب اللمس السعوي على سطح الغلاف توجيها لالكترودات المستشعر يمنع التقاط ضوضاء دوائر RF والصوت.
- اكتشاف الارتداء داخل الاذن: يحدد IR proximity sensor او الاستشعار السعوي ما اذا كانت السماعة موضوعة داخل الاذن؛ وتعتمد ميزة الايقاف التلقائي على موثوقية هذا الاكتشاف.
- التوصيل العظمي: تضيف بعض التصاميم المتميزة bone-conduction sensor لتحسين وضوح المكالمات؛ وهذا يتطلب اقترانا ميكانيكيا مع الغلاف.
- توجيه اشارات المستشعر: تستفيد جميع اشارات المستشعر من مسارات shielding متصلة بالارضي؛ ويكون ذلك مهما بشكل خاص مع اللمس السعوي القريب من هوائي Bluetooth.
ويخلق دمج عدة انظمة استشعار ضمن منتج بهذا الحجم تحديات تكامل حقيقية. ولهذا تعد تجزئة PCB بشكل واضح مع ادارة ارضي صارمة امرا ضروريا لتجنب التداخل بين الانظمة الفرعية.
التصنيع الدقيق للالكترونيات القابلة للارتداء
يجمع تصنيع PCB الخاص بسماعات TWS بين مستوى التصغير الموجود في الهواتف الذكية واقتصاديات الالكترونيات الاستهلاكية ذات الاحجام الكبيرة. ويجب الحفاظ على الدقة المطلوبة لوضع مكونات 0201 وتشكيل microvia وتصوير الخطوط الدقيقة عبر ملايين الوحدات، مع الالتزام في الوقت نفسه باهداف تكلفة صارمة جدا.
وتشمل تحديات التجميع التعامل مع لوحات صغيرة للغاية على خطوط pick-and-place، وتحقيق ترسيب دقيق لمعجون اللحام لمكونات 0201 وما هو اصغر، وتنفيذ اختبارات وظيفية بقدرة انتاجية تكفي للانتاج التسلسلي.
متطلبات التصنيع
- دقة التصنيع: يلزم تحقيق ±25 μm لمواءمة microvia و±15 μm لتصوير الخطوط الدقيقة؛ ويجب الحفاظ على هذه الحدود عبر سلسلة العملية بالكامل.
- التحكم في معجون اللحام: تستخدم قوالب 3 mil عادة مع 0201؛ ويساعد تصميم الفتحات بدقة في منع نقص المعجون او تكوين الجسور؛ كما ان التحقق عبر SPI ضروري.
- دقة pick-and-place: تتطلب مكونات 0201 دقة وضع تبلغ ±30 μm؛ ويعتمد النظام البصري على fiducials وخصائص المكون من اجل المحاذاة.
- ملف reflow: تحتاج التجميعات الكثيفة الى تطوير دقيق لملف reflow؛ كما ان تجانس الحرارة على اللوحات الصغيرة يقلل العيوب.
- تكييف AOI: يجب ضبط الفحص البصري الالي للمكونات المصغرة؛ والهدف هو خفض الانذارات الكاذبة مع الحفاظ على القدرة على كشف العيوب.
- الاختبارات الوظيفية: يجب التحقق من استجابة الصوت واتصال Bluetooth ووظيفة المستشعرات؛ كما يجب ان يراعي test fixture اشكال اللوحات غير المنتظمة.
ويتطلب الانتاج الحجمي لسماعات TWS تصنيع rigid-flex PCB بدقة تجميع تعادل مستوى الهواتف الذكية او تتجاوزه.
Technical Summary
يدفع تصميم PCB لسماعات TWS حدود التصغير مع الحفاظ على جودة الصوت واداء الاتصال وعمر البطارية. ويتطلب النجاح بنية HDI ذات خصائص دقيقة، وهوائيا محسنا للعمل قرب الجسم، وادارة بطارية فعالة تستفيد من السعة المحدودة للخلية باقصى قدر ممكن.
وتشمل القرارات الرئيسية مستوى التعقيد البنيوي، اي مستوى HDI المناسب بحسب عدد المكونات وانواع الحزم، ونهج الهوائي بين chip او PCB او LDS وفقا للمساحة المتاحة والاداء المطلوب، اضافة الى مستوى دمج المستشعرات بين النسخ الاساسية والنسخ المجهزة بـ ANC.
وعند اختيار شريك التصنيع ينبغي اعطاء الاولوية لقدرات مثبتة في التجميع المصغر ولتحكم عملية قوي بما يكفي للحفاظ على جودة مستقرة عبر ملايين الوحدات.
هل تبحث عن لوحة رئيسية لسماعات الاذن جاهزة للتصنيع؟ اطلع على قدراتنا في تصنيع PCB.