TWS(True Wireless Stereo,真无线立体声)耳机主要是采用了蓝牙无线传输的一类音频产品。2016年,苹果发布了第一代AirPods,正式开启了TWS耳机的时代。

 


市面上常见的TWS耳机

 

权威调研机构的分析预测,2020年全球品牌TWS耳机出货量约为2.5亿,预计到2024年,全球品牌TWS耳机出货量达5.5亿副。

现在以及未来几年市场对TWS耳机的需求不断提高,行业进入爆发式成长的阶段, TWS耳机的爆发式成长同时也引导了TWS耳机充电仓的爆发式增长。

 


各式各样的TWS充电仓

 

充电仓为TWS耳机电池充电,提供能源支持,充电自然不开电源管理芯片PMIC。PMIC主要有两方面作用:一是负责充电仓内部的电池充电管理,二是负责充电仓内部电池升压输出,提供耳机充电管理。

PMIC电源管理芯片能够起到提升电池充电速度、精准控制电流电压、减少对耳机电池的损害等功能,在TWS耳机系统中起到举足轻重的作用。

 


部分目前市场上主流的充电仓电源管理芯片

 

目前市场上主流的充电仓电源管理芯片提供商有很多知名厂商。国外的有:Diodes、Maxim美信、NXP恩智浦、三星、TI德州仪器等品牌。国内也有不少自主品牌,如:兆易创新、钰泰、圣邦微、思远半导体、微源、矽力杰、昇生微等厂商。

不久前,北京兆易创新科技股份有限公司(下文称兆易创新)新推出了一颗TWS耳机电池仓PMIC管理系列芯片GD30WS8805,其性能特点引人注目。

 

GD30WS8805系列介绍

 

兆易创新成立于2005年4月,是一家以中国为总部的全球化芯片设计公司。该公司致力于各类存储器,微控制器,传感器及周边产品的设计研发,主要产品是NOR Flash、NAND Flash、DRAM、32位通用型MCU,以及智能人机交互传感器芯片,广泛应用于工业、汽车、计算、消费电子、物联网、移动应用以及通信等领域。

该公司新推出的GD30WS8805系列具有十分突出的特点和优势,特别适合于电池仓的设计方案。对充电仓内部锂电池的过充、过放、过流、短路等进行安全防护;在对TWS耳机充电过程中可以提升电池充电速度、精准控制电流电压、更好的为耳机电池提供高效充电。

 

GD30WS8805 组成的TWS耳机充电仓系统框图

 

GD30WS8805系列芯片具有高集成度、高效率、小体积等突出特点,十分适合作为TWS电池仓电源管理的主控芯片,可以达到极高的性价比。

 

GD30WS8805系列芯片特点:

  • 可靠、高效率的电源性能
  • 可靠的充电热插拔性能
  • 全方位充放电管理保护功能
  • 优化的高效充放电转换效率
  • 充电、放电关断电流可调-电池充得更满
  • TWS耳机进仓-出仓智能化管理
  • 耳机进仓检测功能
  • 耳机充电完成功能控制-完美解决耳机在仓内馈电问题
  • TWS耳机充电仓-数据传输功能
  •  一键配对、恢复出厂设置功能
  • 充电仓状态传输功能-弹窗显示真实电量
  • 其他数据传输功能应用

 

产品主要规格

 

GD30WS8805内部框图

 

    在待机状态下, 芯片的静态电流<5uA
    芯片充电功能:
a)    高达1.2A电流的开关充电, 最大充电电流可以通过硬件+I2C配置。
b)    充电状态全过程管理包含: 预充电状态, 恒流充电/恒压充电状态, 涓流充电状态。
c)    芯片的充电电流和涓流充电电流可以通过I2C口配置。
d)    支持多种电池特性, 4.1/4.2/4.3/4.35/4.4V截止电压, 0.5%误差
    升压电路特性:
a)    高效率的同步升压电路, 效率高达95%
b)    最大输出600mA 电流至负载
c)    输出电流上限可以通过芯片的I2C口来配置。
    充电路径管理功能:
a)    充电路径可以同时支持电池充电和系统供电。
b)    提供给电池和系统的充电电流可以实现动态平衡。
c)    高达20V的过压保护和高达1.8A的过流保护。
    充电保护功能:
a)    USB输入过压/过流保护
b)    电池充电过程中的过压保护、NTC过温低温保护
c)    升压电路输出限流、过压、 短路、电池欠压保护
    其他扩展功能:
a)    I2C 接口灵活配置芯片的工作状态
b)    LED状态指示控制
c)    耳机与充电仓数据通讯通路
d)    负载电流检测功能
e)    可输出50mA电流的LDO

 

从以上内容可以看出,GD30WS8805系列芯片性能十分优秀,除此之外,还有五个亮点值得关注。

 

亮点1:开关充电温升小

 

  • 开关充电架构,2C快速充电
  • 充电效率高达95% @Icharge=0.5A
  • 稳定工作时,芯片表面温度低于28℃

 

亮点2:灵活高效的升压电路 

 

  • Boost电路输出电压可调: 4.8V-5.15V
  • Boost电路效率90%-95%

 

亮点3:充电各阶段的电流和电压均可灵活配置

 

  • 持续充电电流ICCCH通过RCCCH + 寄存器灵活可调。
  • 充电电流,充电截止电压通过寄存器灵活可配置。


 

 

亮点4:内置低功耗LDO

 

  • LDO电路输出电压3.3V,可为MCU和其他IC供电
  • LDO输出电流两档可调: 50mA/10mA
     

 

亮点5:耳机与充电仓数据通讯

 

  • 可以通过I2C寄存器设置COML/COMR的通信模式,配置COML/COMR的电平。
  • COML/COMR的高电平可以设置成VBAT或5V。

 

GD30WS8805系列充电仓芯片与TWS耳机通讯连接示意图

 


GD30WS8805与耳机配置电平数据通讯控制字设置

 

GD30WS8805-EVAL评估板介绍

 

基于GD30WS8805充电仓PMIC芯片,兆易创新推出了GD30WS8805-EVAL评估板,方便对芯片进行性能评估,也可以做产品设计的参考以及功能调试,笔者有幸拿到了该评估板。

GD30WS8805 EVAL 模块是一个电源管理模块, 评测工作需要由 EVAL 板、GD-Adapter 和上位机软件、一些外部电路负载一起组成来进行。上位机可以通过 I2C 控制 GD30WS8805 芯片, 完成对单节锂电池的充放电管理。

 

GD30WS8805 EVAL 板特性:

 

  • 支持最大 1.2A 的可编程充电电流
  • 支持 600mA 的 BOOST 放电电流
  • 支持多种化学成分的电池, 4.1/4.2/4.3/4.35/4.4V @0.5%
  • 支持 50mA 输出的 3.3V 电压
  • 全充电周期:预充电、恒流充电、恒压充电
  • 可编程 LED 驱动
  • 集成了过压、 欠压、过温等多种保护

 

GD30WS8805-EVAL评估板
 

接口名称和接口描述说明

 

上电测试


主要测试设备:锂电池、电子负载仪、滑动变阻器、USB功率计、GD-Adapter、万用表等。

 


GD30WS8805-EVAL测试连接系统框图

 

GD-Adapter与GD30WS8805-EVAL测试连接图

 

我们准备从充电功能、BOOST 功能、放电功能、LDO输出功能、ADC采集功能,这五个方面进行测试。

打开PMU Monitor软件连接好GD30WS8805-EVAL开发板。

 

 

一、    充电功能测试

测试亮点:最大1.2A充电,电流可软硬件控制;充电电池特性电压可选择;充电过程的预充、恒流、恒压全过程精准控制;较高的充电效率;充电完成提示等。

充电功能设置界面:
(说明:这里笔者用500mAH的锂电池代替双象限电源进行充电测试。)

 

 

电池空载无充电使能状态的Vbat电压3.717V
 

 

然后开启对电池的充电模式。电池充电电压3.849V,电流296mA,USB功率计1.2556W,充电效率为:90.737%。

 

 

电池充电电压3.951V,电流297mA,USB功率计1.2915W,充电效率为:90.859%。
 

 

电池充电电压4.014V,电流296mA,USB功率计1.3148W,充电效率为:90.367%。
 

 

电池充电电压4.020V,电流296mA,USB功率计1.3171W,充电效率为:90.344%。
 

 

电池充电电压4.040V,电流296mA,USB功率计1.3249W,充电效率为:90.259%。
 

 

整个充电过程,一直可以说是处于恒流充电状态,充电效率一直保持在90%以上,充电转换效率比较高。

 

二、    BOOST 功能测试

 

测试亮点:同步升压效率可高达95%;输出电压、电流可配置,最大可达600mA。

BOOST 功能设置界面,选择输出电压5V,使能BST_EN,使用电子负载测试不同电流负载下的转换效率。

 

 

50mA负载测试图片                    

 

100mA负载测试图片

     

 


200mA负载测试图片                

 

400mA负载测试图片

 


600mA负载测试图片

 

由于电池容量比较小,测试的时候电压输出保持有点困难,随着测试电流的增大,电压输出跌落明显。相对应的输出转换效率分别为:95.3%, 93.0%,92.87%,89.24%,83.4%。

 

三、    放电功能测试

 

测试亮点:TWS充电输出电压可配置;TWS充电电流可编程配置;TWS充电过载保护与轻载中断信号输出。

 

 放电功能设置界面

 

由于滑动变阻器不能刚好调整到150mA,只能达到最接近的情况,输出放电电流比较稳定,当继续增大放电电流,在示波器上可以看到IRQ引脚输出了一个过载中断脉冲。

 

下图中,远处的2个仪表接滑动电阻器,模拟耳机充电测量电压和电流;近处的2个仪表接电池,测量电池的电压和电流

 

   
166mA放电测试图片 效率92.16%    

 

       

207mA放电测试图片  效率92.48%

 


220mA放电测试图片  效率92.42%        

 

 

245mA放电测试图片  效率87.17%


 
150mA过载放电IRQ输出告警低脉冲测试图片

 

四、 LDO输出功能测试


测试亮点:LDO输出电流可配置。

 


LDO输出功能测试设置界面

   


LDO 10mA实测试图片                      

 

 LDO 50mA负载实测试图片

 

SLP_EN使能后,设置10mA电子负载,LDO可以带10mA电流的负载,而本身电压不会跌落太多,这说明LDO工作正常。

   

 

五、ADC采集功能测试

 

测试亮点:ADC转换器测量监控电源功能。

ADC功能设置界面,这里选择VBAT测试电池的电压。

 

 

ADC寄存器读出的值是0XBFF,换算为电压值为:3.748V,万用表实测值为3.769V,测量准确率达到99.5%,剔除测量误差,采集转换的电池电压是正确的。验证了ADC的功能正常,且准确度极高。

 

兆易创新GD30WS8805系列PMIC芯片功能总结


通过上述评测可以得出GD30WS8805系列芯片具有如下的一些突出特点:

  • 可靠的充电热插拔性能
  • 全方位充放电管理保护功能
  • 优化的高效充放电转换效率
  • 充电、放电关断电流可调-电池充得更满
  • TWS耳机进仓-出仓智能化管理
  • 耳机进仓检测功能
  • 耳机充电完成功能控制-完美解决耳机在仓内馈电问题
  • TWS耳机充电仓-数据传输功能
  • 一键配对、恢复出厂设置功能
  • 充电仓状态传输功能-弹窗显示真实电量

作为半导体电子芯片国货领先的技术设计和先进的生产工艺;GD30WS8805系列芯片针对TWS充电仓设计的专用PMIC产品可靠、高效率的电源性能,十分适合作为TWS电池仓电源管理的主控芯片,可以达到极高的性价比。