从苹果发布第一款Airpods以来,TWS耳机的热度一直高居榜首。依托市场火热的鲶鱼效应,推陈出新的TWS耳机硬件方案层出不穷,比如就有增加主动降噪功能的TWS耳机。

 

本文我们将拆解一款市面上非常火热的TWS主动降噪耳机——华为的FreeBuds Pro无线耳机。

 


外观
包装盒内的配件包括了华为FreeBuds Pro无线耳机和充电盒、充电线缆、附赠的硅胶耳塞以及快速上手指南。

 

 

关于FreeBuds Pro无线耳机的详细外观结构以及功能介绍可以观看视频了解,本文主要分析拆解后的内部硬件方案有什么特殊的。


拆解

  • 耳机拆解

耳机壳体都用由超声波压合而成,又有粘胶固定,所以唯有通过暴力拆解。下图是耳机拆解去壳后的全家福。

 

 

耳机部分的电路,主控板由两块PCBA上下层叠而成,弯折处使用FPC连接。

 

 

贴于耳机一侧的压力、触控传感器通过连接器压扣在电路板上(如下图所示),而它右边的芯片就是耳机的核心芯片之一,音频主动降噪DSP芯片,作为耳机降噪的专用芯片广泛被各大厂商用于TWS耳机的降噪方案中。

 


中间部分的连接件连接着扬声器部分的电路,连接器左侧胶封是一颗压力触控芯片,而最左侧的两个焊点连接的是耳机充电的充电触点。

 

 

电路板背面的中部有一块连接着大片铺地的金属网(如下图所示),它可以很好的贴合另一块板上的屏蔽罩,让上下两部分电路的地充分连接,右侧丝印二维码的芯片是一颗加速度传感器,支持敲击感应、VAD语音开关和骨传导通话降噪功能。

 


电路板左侧散落这放着一些分立器件,还利用空白部分去掉阻焊层打印了一些电路板信息。

 


另一块电路板的安装着整个耳机的主控芯片(如下图所示),所以器件也多了起来,左右两个中空金属焊盘是耳机柄顶部的前馈麦克风收音通道。最左侧胶封的芯片是一颗FlASH存储器。电路板中间部份散落着密密麻麻的阻容感、晶振等器件。右侧的两个金属弹片用于连接蓝牙天线。

 

 

翻过电路板(如下图所示),可以看到两个带着金黄色金属外壳的前反馈麦克风,使用胶封的是一颗FLASH存储器,中间使用金属屏蔽壳隔离则是耳机的主控和蓝牙芯片。而最右侧的一颗带有银白色金属外壳的是通话麦克风,用于人声的拾取。

 

 

拆开电路板上焊接的屏蔽罩(如下图所示),我们可以看到耳机的主控是一颗蓝牙5.1和低功耗蓝牙双认证的蓝牙SOC,适合各种可穿戴电子设备应用。

 

 

扬声器部分的电路都放到了柔性电路板上(如下图所示),整体贴合在耳机扬声器后的电池和耳机外壳内壁上。扬声器前伸出了一个后馈麦克风,它与耳机柄部的两个前反馈麦克风配合共同用作主动降噪。

 

 

顺着后馈麦克风我们可以看到一颗红外距离传感器(如下图所示)。一侧可以看到电路板连接圆柱形电池的焊点。

 

 

电池背面贴合的电路板伸出一块裸露的铜片,这是用于辅助入耳检测的电容传感器,它与红外距离传感器配合可以识别出当前耳机是否佩戴人耳,是否摘下等使用场景。


电路板中间的芯片用于锂电池的充电管理。

 

  • 充电盒拆解

充电盒同样有缴税粘结,通过热风枪加热拆解。

 

 

充电盒拆解后的全家福如下图所示。

 

 

充电盒电路主板与外壳上的器件通过连接件和FPC连接,主板上焊接着椭圆形的充电线圈,使用带有磁性的橡胶粘合在外壳一侧,线圈通过耦合发射级的电场,在回路中产生电流从而给电池充电。

 


最右侧的是无线充电电路,使用的是支持快充协议的专用无线充电芯片。

中部的接口连接的是耳机的状态指示灯和检测上盖开合的霍尔元件、1个按键和2个Pogo Pin。

再向左的接口连接着USB充电接口和充电指示灯。

左下方的接口连接的是充电盒的电池。


翻过主板我们可以看到很多预留的没有焊接的备料位置(如下图所示)。 这也是硬件产品设计中的一个很常用的手段,以便在某些芯片因为一些原因采购困难时可以及时替上其他同功能备用芯片,这样可以尽可能减小芯片供应给产品生产带来的影响。

 


右侧分布了几颗查不到具体型号的芯片,推测和电源管理和驱动相关。

向左,我们可以看到一颗支持I2C接口控制的单节电池充电管理和系统电源路径管理芯片,它可以让用户通过USB口对锂电池进行充电。

在有线充电电路一侧的是同步升降压转换电路,它对电池电压进行转换,供给电源给其他部分的电路。

 

最后一颗,也是整个耳机充电盒的核心芯片,国民技术的N32G4FR系列微控制器

 


这是一颗采用32位ARM Cortex-M4内核的MCU,最高支持144MHz的主时钟,每秒执行的指令更是可以高达180M条。


N32G4FR除了拥有优异的运算能力外,还兼具低功耗的特点,芯片采用了40nm的工艺,最低静态功耗达小于2uA,3.3V电压供电下消耗电流只有90uA/MHz。

 


接口方面N32G4FR拥有2个12位5Msps ADC,最多支持16个外部输入通道、2个1Msps 12位DAC,同时提供多种数字通信接口,包括7个U(S)ART、4个I2C、3个SPI、2个ISC、1个QSPI、1个USB 2.0设备、2个CAN2.0B、1个SDIO以及1个DVP接口。


值得一提的是这颗芯片除了作为通用MCU外,还支持市场主流半导体指纹及光学传指纹感器,内部集成了DES\3DES\AES\SHA\SM\CRC\TRNG等多种国际及国密码算法硬件加速引擎。集成高达512KB加密存储Flash并支持多用户分区管理,最大144KB SRAM,且可以外扩FLASH和SRAM。怪不得华为会选用这颗MCU做耳机充电盒的主控,作为通用MCU就已经很优秀了,附加的功能更是能满足以后的升级。

 

小结
从拆解后的硬件方案来看,华为FreeBuds Pro耳机结构设计十分紧凑,尤其是耳机部分的结构已经做到了没有些许多余空间,大量使用了小封装集成度高的芯片,这也是耳机越做越小,性能越来越强的原因之一,结构和电路板的设计也处处透露着华为FreeBuds Pro产品设计开发团队的用心。


另一个方面我们可以看到, FreeBuds Pro目前还在大量使用着国外的芯片,这些芯片往往在短期内很难能使用国产芯片替代,离真正的国产化还有很长一段路要走。但值得庆幸的是,耳机和充电盒部分的主控都是用的国产的芯片,除了耳机使用了华为自己的主控外,充电盒用的主控使用的是国民技术的32位MCU,这是不是代表着国产MCU的突围之战越来越顺畅了,国产芯已经得到了国内龙头企业的认可。非常期待今后的电子产品能有更多使用国产芯片的硬件方案。