TWS電源管理，來看兆易創(chuàng)新的方案

時間：2021-12-07 11:15:12

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[導(dǎo)讀]TWS(TrueWirelessStereo)即真無線藍(lán)牙智能耳機(jī)，最大的特點就是無線化。和普通藍(lán)牙耳機(jī)相比，TWS耳機(jī)不僅體積小、音質(zhì)好，并且具備良好的連接效率、穩(wěn)定性極佳，因此受到了廣大消費者的追捧。自2016年9月份Airpods發(fā)布，此后市場上便掀起了一波TWS耳機(jī)的浪潮...

TWS(True Wireless Stereo)即真無線藍(lán)牙智能耳機(jī)，最大的特點就是無線化。和普通藍(lán)牙耳機(jī)相比，TWS耳機(jī)不僅體積小、音質(zhì)好，并且具備良好的連接效率、穩(wěn)定性極佳，因此受到了廣大消費者的追捧。自2016年9月份 Airpods發(fā)布，此后市場上便掀起了一波TWS耳機(jī)的浪潮，越來越多的品牌廠商陸續(xù)發(fā)布新產(chǎn)品進(jìn)軍TWS耳機(jī)市場。近幾年來，國內(nèi)TWS真無線耳機(jī)呈快速增長的態(tài)勢，其市場規(guī)模快速擴(kuò)大。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2017年到2020年，中國TWS耳機(jī)市場規(guī)模迅速增長，2020年中國TWS耳機(jī)市場規(guī)模達(dá)到39.4億美元。未來TWS耳機(jī)將進(jìn)行更多技術(shù)融合和性能升級，這將推動TWS耳機(jī)實現(xiàn)快速持續(xù)發(fā)展，市場也將持續(xù)火熱，預(yù)計2021年市場規(guī)模將達(dá)到67.2億美元。數(shù)據(jù)來源：IDC與此同時，市場的火爆加速了TWS耳機(jī)的更新迭代。如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)上優(yōu)化產(chǎn)品，進(jìn)一步提升用戶體驗，是各大廠商需要思考的關(guān)鍵性問題。其中，電源管理就是其技術(shù)關(guān)注的焦點。電源管理芯片在TWS耳機(jī)中起到至關(guān)重要的作用。它主要用于耳機(jī)充電放電，并且在充電放電過程中對電池過充、過放、過流，過溫，短路等實時保護(hù)。兆易創(chuàng)新通過對TWS耳機(jī)電源管理的不斷探索，自研GD30WS8805電源管理芯片，在高效率和高集成方面實現(xiàn)了進(jìn)一步的突破。低功耗，高效率TWS藍(lán)牙耳機(jī)電源管理其中一個重要的問題，是如何增加耳機(jī)電池的使用壽命，其本質(zhì)是如何減少電池的損耗。耳機(jī)電池的損耗主要發(fā)生在充電過程中，當(dāng)為耳機(jī)充電時，內(nèi)部通過升壓變換器升高電壓來達(dá)到充電的目的。因此，選擇一款低功耗的升壓變換器可以減少電池?fù)p耗，延長電池使用壽命。除此之外，影響電池壽命的因素還包括充電循環(huán)次數(shù)、使用環(huán)境等，因此各個廠商都在探索可以降低耳機(jī)電池?fù)p耗的技術(shù)方法。兆易創(chuàng)新開發(fā)的GD30WS8805電源管理芯片便實現(xiàn)了低靜態(tài)功耗，并且使用開關(guān)式充電，充電效率高達(dá)95%。小型化，高集成TWS耳機(jī)對便攜性有著很高的要求，所以TWS耳機(jī)盒的內(nèi)部空間有限，其內(nèi)部的電池不能太大，這便會對續(xù)航造成影響。針對這個問題，許多廠商在電源管理芯片的高集成度上不斷尋求方法并推出具有針對性的的解決方案。目前，市場上現(xiàn)有產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)在單個芯片上集成多個獨立組件，這也使得在相同尺寸下給電池提供更多空間，加大耳機(jī)電池容量，增加耳機(jī)的續(xù)航能力。兆易創(chuàng)新的電源管理芯片GD30WS8805集成了充電、放電、通信、保護(hù)、耳機(jī)檢測、LDO等六大功能。同時在充電管理方面，可以給充電盒鋰電池、耳機(jī)鋰電池以及MCU供電，實現(xiàn)充電管理三合一。還可以配合GD32 MCU實現(xiàn)對于TWS電源管理系統(tǒng)的智能化控制。GD32E230F-TWS方案概述GD32E230F-TWS板是一款電源管理開發(fā)平臺，采用Cortex?-M23內(nèi)核的兆易創(chuàng)新GD32E230F4V6芯片作為主控MCU，以I2C接口方式與電源管理芯片PMU(GD30WS8805)進(jìn)行通信，實現(xiàn)對單節(jié)鋰電池和耳機(jī)的充放電管理。GD30WS8805具備三種模式：USB模式、BAT模式和Sleep模式，三種模式轉(zhuǎn)換關(guān)系如下圖所示。當(dāng)USB插入、耳機(jī)插入、充電完成等狀態(tài)發(fā)生時，內(nèi)部寄存器相應(yīng)位會改變，同時會發(fā)出一個中斷脈沖，讓MCU讀取寄存器變化值，進(jìn)行相應(yīng)的充放電管理。USB模式下，方案可以同時給充電盒鋰電池和耳機(jī)鋰電池充電，耳機(jī)充電優(yōu)先。兩只耳機(jī)擁有獨立的兩路充電回路，可以單獨為一只耳機(jī)進(jìn)行充電。除此之外，該方案也給MCU供電，實現(xiàn)充電管理三合一。GD30WS8805擁有多種保護(hù)和檢測功能，如電池過壓、過流、過溫保護(hù)，耳機(jī)過壓、過流保護(hù)，USB插入拔出檢測、耳機(jī)插入拔出檢測等。它擁有一個能夠輸出50mA電流的3.3V LDO，可以為外部電路供電，無需額外器件。同時，GD30WS8805內(nèi)置一個12位ADC，可以采集多種電壓，方便用戶進(jìn)行電計量運(yùn)算。MCU可以與GD30WS8805進(jìn)行通信，靈活配置8805內(nèi)部寄存器，完成充放電管理，狀態(tài)轉(zhuǎn)換，耳機(jī)通訊，LED閃爍多種功能。▲GD32E230F-TWS方案系統(tǒng)框圖GD32E230F-TWS元件主要規(guī)格介紹GD30WS8805x PMU主要規(guī)格? 超低的靜態(tài)電流，睡眠模式下，消耗電流<5uA;? 支持最大1.2A的對電池充電電流，最大600mA的對耳機(jī)充電電流;? 支持多種化學(xué)成分的電池，4.1/4.2/4.3/4.35/4.4V @0.5%;? 全充電流程：預(yù)充電、恒流充、恒壓充;? 充電過程中的恒流充電流、恒流充跳轉(zhuǎn)電壓等多種參數(shù)均可由I2C自由配置;? BOOST轉(zhuǎn)換效率高 @95%;? 短路、高低溫、過壓/欠壓等多種保護(hù);? 支持50mA輸出的3.3VLDO;GD32E230系列MCU主要規(guī)格? Arm Cortex-M23@72MHz, 55DMIPS的處理性能;? Flash：64KB/32KB/16KB;? SRAM：8KB/6KB/4KB;? 高速高精度ADC, 12BitsADC x 1@2.6Msps，10通道;? 高級定時器x1，可產(chǎn)生6路死區(qū)可調(diào)的互補(bǔ)PWM輸出;? 通用定時器x5;? Flash帶硬件加密保護(hù);? 多種串行通訊方式：I2Cx2, SPIx2, UARTx2;? 豐富的封裝類型：TSSOP20/LGA20/QFN28/QFN32/LQFP32/ LQFP48? 供電電壓：1.8V~3.6V? 工業(yè)級的工作溫度范圍：-40℃~ 85℃;? 工業(yè)級的ESD特性：6000 Volt;▲GD32E230F-TWS解決方案實物圖GD32E230F-TWS方案特點? 供電范圍寬方案可以使用電池供電，供電范圍為2.2V-4.4V，能夠保證鋰電池在低電量狀態(tài)時也可以讓方案正常工作。? LDO輸出能力高GD30WS8805x自帶的LDO可支持3.3V/50mA輸出，在保證MCU正常運(yùn)行的同時，還可以帶載一些外部器件。? 靜態(tài)功耗低GD30WS8805x靜態(tài)功耗低，睡眠模式下靜態(tài)電流<5uA。? 充電效率高開關(guān)式充電，效率高，可高達(dá)95%。? 充電電流大能夠支持最大1.2A的對電池充電電流，最大600mA的對耳機(jī)充電電流。? 參數(shù)可配置充電過程中的預(yù)充電跳轉(zhuǎn)電壓、恒流充跳轉(zhuǎn)電壓等多種參數(shù)均可由MCU進(jìn)行配置，電池恒流充電流和耳機(jī)充電截止電流可以通過電阻進(jìn)行配置，電阻為普通電阻，成本低。? 雙向通信快支持MCU與耳機(jī)最快2M的雙向通信。? 保護(hù)功能全支持短路，電池高低溫，輸入過壓、過流，耳機(jī)過壓、過流等多種保護(hù)。? 安規(guī)等級高具備了2kV的靜電防護(hù)(ESD)和優(yōu)異的電磁兼容(EMC)能力，符合民用級高可靠性和溫度標(biāo)準(zhǔn)。▲GD30WS8805-EVAL全功能開發(fā)板實物圖本方案硬件電路設(shè)計靈活，用戶只需按照操作指南連接好對應(yīng)接口就可以開始使用。兆易創(chuàng)新已經(jīng)提供了完善的軟件資源，并配備專門的固件庫方便用戶開發(fā)。同時還提供了多種燒錄調(diào)試程序手段，可選擇GD-Link或SWD方式END
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