2019
TWS（True Wireless Stereo，真無線立體聲）耳機主要是采用了藍牙無線傳輸的一類音頻產(chǎn)品。2016年，蘋果發(fā)布了第一代AirPods，正式開啟了TWS耳機的時代。
市面上常見的TWS耳機
權(quán)威調(diào)研機構(gòu)的分析預(yù)測，2020年全球品牌TWS耳機出貨量約為2.5億，預(yù)計到2024年，全球品牌TWS耳機出貨量達5.5億副。
現(xiàn)在以及未來幾年市場對TWS耳機的需求不斷提高，行業(yè)進入爆發(fā)式成長的階段， TWS耳機的爆發(fā)式成長同時也引導(dǎo)了TWS耳機充電倉的爆發(fā)式增長。
各式各樣的TWS充電倉
充電倉為TWS耳機電池充電，提供能源支持，充電自然不開電源管理芯片PMIC。PMIC主要有兩方面作用：一是負責(zé)充電倉內(nèi)部的電池充電管理，二是負責(zé)充電倉內(nèi)部電池升壓輸出，提供耳機充電管理。
PMIC電源管理芯片能夠起到提升電池充電速度、精準(zhǔn)控制電流電壓、減少對耳機電池的損害等功能，在TWS耳機系統(tǒng)中起到舉足輕重的作用。
部分目前市場上主流的充電倉電源管理芯片
目前市場上主流的充電倉電源管理芯片提供商有很多知名廠商。國外的有：Diodes、Maxim美信、NXP恩智浦、三星、TI德州儀器等品牌。國內(nèi)也有不少自主品牌，如：兆易創(chuàng)新、鈺泰、圣邦微、思遠半導(dǎo)體、微源、矽力杰、昇生微等廠商。
不久前，北京兆易創(chuàng)新科技股份有限公司（下文稱兆易創(chuàng)新）新推出了一顆TWS耳機電池倉PMIC管理系列芯片GD30WS8805，其性能特點引人注目。
GD30WS8805系列介紹
兆易創(chuàng)新成立于2005年4月，是一家以中國為總部的全球化芯片設(shè)計公司。該公司致力于各類存儲器，微控制器，傳感器及周邊產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)，主要產(chǎn)品是NOR Flash、NAND Flash、DRAM、32位通用型MCU，以及智能人機交互傳感器芯片，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、汽車、計算、消費電子、物聯(lián)網(wǎng)、移動應(yīng)用以及通信等領(lǐng)域。
該公司新推出的GD30WS8805系列具有十分突出的特點和優(yōu)勢，特別適合于電池倉的設(shè)計方案。對充電倉內(nèi)部鋰電池的過充、過放、過流、短路等進行安全防護；在對TWS耳機充電過程中可以提升電池充電速度、精準(zhǔn)控制電流電壓、更好的為耳機電池提供高效充電。
GD30WS8805 組成的TWS耳機充電倉系統(tǒng)框圖
GD30WS8805系列芯片具有高集成度、高效率、小體積等突出特點，十分適合作為TWS電池倉電源管理的主控芯片，可以達到極高的性價比。
GD30WS8805系列芯片特點：
- 可靠、高效率的電源性能
- 可靠的充電熱插拔性能
- 全方位充放電管理保護功能
- 優(yōu)化的高效充放電轉(zhuǎn)換效率
- 充電、放電關(guān)斷電流可調(diào)-電池充得更滿
- TWS耳機進倉-出倉智能化管理
- 耳機進倉檢測功能
- 耳機充電完成功能控制-完美解決耳機在倉內(nèi)饋電問題
- TWS耳機充電倉-數(shù)據(jù)傳輸功能
- ?一鍵配對、恢復(fù)出廠設(shè)置功能
- 充電倉狀態(tài)傳輸功能-彈窗顯示真實電量
- 其他數(shù)據(jù)傳輸功能應(yīng)用
產(chǎn)品主要規(guī)格
?
GD30WS8805內(nèi)部框圖
??? ?在待機狀態(tài)下， 芯片的靜態(tài)電流<5uA
??? ?芯片充電功能：
a)?? ?高達1.2A電流的開關(guān)充電, 最大充電電流可以通過硬件+I2C配置。
b)?? ?充電狀態(tài)全過程管理包含: 預(yù)充電狀態(tài), 恒流充電/恒壓充電狀態(tài), 涓流充電狀態(tài)。
c)?? ?芯片的充電電流和涓流充電電流可以通過I2C口配置。
d)?? ?支持多種電池特性, 4.1/4.2/4.3/4.35/4.4V截止電壓， 0.5%誤差
??? ?升壓電路特性：
a)?? ?高效率的同步升壓電路， 效率高達95%
b)?? ?最大輸出600mA 電流至負載
c)?? ?輸出電流上限可以通過芯片的I2C口來配置。
??? ?充電路徑管理功能：
a)?? ?充電路徑可以同時支持電池充電和系統(tǒng)供電。
b)?? ?提供給電池和系統(tǒng)的充電電流可以實現(xiàn)動態(tài)平衡。
c)?? ?高達20V的過壓保護和高達1.8A的過流保護。
??? ?充電保護功能：
a)?? ?USB輸入過壓/過流保護
b)?? ?電池充電過程中的過壓保護、NTC過溫低溫保護
c)?? ?升壓電路輸出限流、過壓、 短路、電池欠壓保護
??? ?其他擴展功能：
a)?? ?I2C 接口靈活配置芯片的工作狀態(tài)
b)?? ?LED狀態(tài)指示控制
c)?? ?耳機與充電倉數(shù)據(jù)通訊通路
d)?? ?負載電流檢測功能
e)?? ?可輸出50mA電流的LDO
從以上內(nèi)容可以看出，GD30WS8805系列芯片性能十分優(yōu)秀，除此之外，還有五個亮點值得關(guān)注。
亮點1：開關(guān)充電溫升小
- 開關(guān)充電架構(gòu),2C快速充電
- 充電效率高達95% @Icharge=0.5A
- 穩(wěn)定工作時，芯片表面溫度低于28℃
亮點2：靈活高效的升壓電路?
- Boost電路輸出電壓可調(diào)： 4.8V-5.15V
- Boost電路效率90%-95%
亮點3：充電各階段的電流和電壓均可靈活配置
- 持續(xù)充電電流ICCCH通過RCCCH + 寄存器靈活可調(diào)。
- 充電電流，充電截止電壓通過寄存器靈活可配置。
亮點4：內(nèi)置低功耗LDO
- LDO電路輸出電壓3.3V,可為MCU和其他IC供電
- LDO輸出電流兩檔可調(diào)： 50mA/10mA
亮點5：耳機與充電倉數(shù)據(jù)通訊
GD30WS8805系列充電倉芯片與TWS耳機通訊連接示意圖
GD30WS8805與耳機配置電平數(shù)據(jù)通訊控制字設(shè)置
GD30WS8805-EVAL評估板介紹
基于GD30WS8805充電倉PMIC芯片，兆易創(chuàng)新推出了GD30WS8805-EVAL評估板，方便對芯片進行性能評估，也可以做產(chǎn)品設(shè)計的參考以及功能調(diào)試，筆者有幸拿到了該評估板。
GD30WS8805 EVAL 模塊是一個電源管理模塊， 評測工作需要由 EVAL 板、GD-Adapter 和上位機軟件、一些外部電路負載一起組成來進行。上位機可以通過 I2C 控制 GD30WS8805 芯片， 完成對單節(jié)鋰電池的充放電管理。
GD30WS8805 EVAL 板特性：
- 支持最大 1.2A 的可編程充電電流
- 支持 600mA 的 BOOST 放電電流
- 支持多種化學(xué)成分的電池， 4.1/4.2/4.3/4.35/4.4V @0.5%
- 支持 50mA 輸出的 3.3V 電壓
- 全充電周期：預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電
- 可編程 LED 驅(qū)動
- 集成了過壓、 欠壓、過溫等多種保護
GD30WS8805-EVAL評估板
接口名稱和接口描述說明
上電測試
主要測試設(shè)備：鋰電池、電子負載儀、滑動變阻器、USB功率計、GD-Adapter、萬用表等。
GD30WS8805-EVAL測試連接系統(tǒng)框圖
?
GD-Adapter與GD30WS8805-EVAL測試連接圖
我們準(zhǔn)備從充電功能、BOOST 功能、放電功能、LDO輸出功能、ADC采集功能，這五個方面進行測試。
打開PMU Monitor軟件連接好GD30WS8805-EVAL開發(fā)板。
一、?? ?充電功能測試
測試亮點：最大1.2A充電，電流可軟硬件控制；充電電池特性電壓可選擇；充電過程的預(yù)充、恒流、恒壓全過程精準(zhǔn)控制；較高的充電效率；充電完成提示等。
充電功能設(shè)置界面：
（說明：這里筆者用500mAH的鋰電池代替雙象限電源進行充電測試。）
電池空載無充電使能狀態(tài)的Vbat電壓3.717V
然后開啟對電池的充電模式。電池充電電壓3.849V，電流296mA，USB功率計1.2556W，充電效率為：90.737%。
電池充電電壓3.951V，電流297mA，USB功率計1.2915W，充電效率為：90.859%。
電池充電電壓4.014V，電流296mA，USB功率計1.3148W，充電效率為：90.367%。
電池充電電壓4.020V，電流296mA，USB功率計1.3171W，充電效率為：90.344%。
電池充電電壓4.040V，電流296mA，USB功率計1.3249W，充電效率為：90.259%。
整個充電過程，一直可以說是處于恒流充電狀態(tài)，充電效率一直保持在90%以上，充電轉(zhuǎn)換效率比較高。
二、?? ?BOOST 功能測試
測試亮點：同步升壓效率可高達95%；輸出電壓、電流可配置，最大可達600mA。
BOOST 功能設(shè)置界面，選擇輸出電壓5V，使能BST_EN，使用電子負載測試不同電流負載下的轉(zhuǎn)換效率。
50mA負載測試圖片
100mA負載測試圖片
200mA負載測試圖片
400mA負載測試圖片
600mA負載測試圖片
由于電池容量比較小，測試的時候電壓輸出保持有點困難，隨著測試電流的增大，電壓輸出跌落明顯。相對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)換效率分別為：95.3%， 93.0%，92.87%，89.24%，83.4%。
三、?? ?放電功能測試
測試亮點：TWS充電輸出電壓可配置；TWS充電電流可編程配置；TWS充電過載保護與輕載中斷信號輸出。
?放電功能設(shè)置界面
由于滑動變阻器不能剛好調(diào)整到150mA，只能達到最接近的情況，輸出放電電流比較穩(wěn)定，當(dāng)繼續(xù)增大放電電流，在示波器上可以看到IRQ引腳輸出了一個過載中斷脈沖。
下圖中，遠處的2個儀表接滑動電阻器，模擬耳機充電測量電壓和電流；近處的2個儀表接電池，測量電池的電壓和電流
166mA放電測試圖片 效率92.16%
207mA放電測試圖片 ?效率92.48%
220mA放電測試圖片 ?效率92.42%
245mA放電測試圖片 ?效率87.17%
?
150mA過載放電IRQ輸出告警低脈沖測試圖片
四、 LDO輸出功能測試
測試亮點：LDO輸出電流可配置。
LDO輸出功能測試設(shè)置界面
LDO 10mA實測試圖片
?LDO 50mA負載實測試圖片
SLP_EN使能后，設(shè)置10mA電子負載，LDO可以帶10mA電流的負載，而本身電壓不會跌落太多，這說明LDO工作正常。
? ?
五、ADC采集功能測試
測試亮點：ADC轉(zhuǎn)換器測量監(jiān)控電源功能。
ADC功能設(shè)置界面，這里選擇VBAT測試電池的電壓。
ADC寄存器讀出的值是0XBFF，換算為電壓值為：3.748V，萬用表實測值為3.769V，測量準(zhǔn)確率達到99.5%，剔除測量誤差，采集轉(zhuǎn)換的電池電壓是正確的。驗證了ADC的功能正常，且準(zhǔn)確度極高。
兆易創(chuàng)新GD30WS8805系列PMIC芯片功能總結(jié)
通過上述評測可以得出GD30WS8805系列芯片具有如下的一些突出特點：
- 可靠的充電熱插拔性能
- 全方位充放電管理保護功能
- 優(yōu)化的高效充放電轉(zhuǎn)換效率
- 充電、放電關(guān)斷電流可調(diào)-電池充得更滿
- TWS耳機進倉-出倉智能化管理
- 耳機進倉檢測功能
- 耳機充電完成功能控制-完美解決耳機在倉內(nèi)饋電問題
- TWS耳機充電倉-數(shù)據(jù)傳輸功能
- 一鍵配對、恢復(fù)出廠設(shè)置功能
- 充電倉狀態(tài)傳輸功能-彈窗顯示真實電量
作為半導(dǎo)體電子芯片國貨領(lǐng)先的技術(shù)設(shè)計和先進的生產(chǎn)工藝；GD30WS8805系列芯片針對TWS充電倉設(shè)計的專用PMIC產(chǎn)品可靠、高效率的電源性能，十分適合作為TWS電池倉電源管理的主控芯片，可以達到極高的性價比。
下載ECAD模型
