TWS电源管理，来看兆易创新的方案

[导读]TWS(TrueWirelessStereo)即真无线蓝牙智能耳机，最大的特点就是无线化。和普通蓝牙耳机相比，TWS耳机不仅体积小、音质好，并且具备良好的连接效率、稳定性极佳，因此受到了广大消费者的追捧。自2016年9月份Airpods发布，此后市场上便掀起了一波TWS耳机的浪潮...

TWS(True Wireless Stereo)即真无线蓝牙智能耳机，最大的特点就是无线化。和普通蓝牙耳机相比，TWS耳机不仅体积小、音质好，并且具备良好的连接效率、稳定性极佳，因此受到了广大消费者的追捧。自2016年9月份 Airpods发布，此后市场上便掀起了一波TWS耳机的浪潮，越来越多的品牌厂商陆续发布新产品进军TWS耳机市场。近几年来，国内TWS真无线耳机呈快速增长的态势，其市场规模快速扩大。相关数据显示，2017年到2020年，中国TWS耳机市场规模迅速增长，2020年中国TWS耳机市场规模达到39.4亿美元。未来TWS耳机将进行更多技术融合和性能升级，这将推动TWS耳机实现快速持续发展，市场也将持续火热，预计2021年市场规模将达到67.2亿美元。数据来源：IDC与此同时，市场的火爆加速了TWS耳机的更新迭代。如何在现有基础上优化产品，进一步提升用户体验，是各大厂商需要思考的关键性问题。其中，电源管理就是其技术关注的焦点。电源管理芯片在TWS耳机中起到至关重要的作用。它主要用于耳机充电放电，并且在充电放电过程中对电池过充、过放、过流，过温，短路等实时保护。兆易创新通过对TWS耳机电源管理的不断探索，自研GD30WS8805电源管理芯片，在高效率和高集成方面实现了进一步的突破。低功耗，高效率TWS蓝牙耳机电源管理其中一个重要的问题，是如何增加耳机电池的使用寿命，其本质是如何减少电池的损耗。耳机电池的损耗主要发生在充电过程中，当为耳机充电时，内部通过升压变换器升高电压来达到充电的目的。因此，选择一款低功耗的升压变换器可以减少电池损耗，延长电池使用寿命。除此之外，影响电池寿命的因素还包括充电循环次数、使用环境等，因此各个厂商都在探索可以降低耳机电池损耗的技术方法。兆易创新开发的GD30WS8805电源管理芯片便实现了低静态功耗，并且使用开关式充电，充电效率高达95%。小型化，高集成TWS耳机对便携性有着很高的要求，所以TWS耳机盒的内部空间有限，其内部的电池不能太大，这便会对续航造成影响。针对这个问题，许多厂商在电源管理芯片的高集成度上不断寻求方法并推出具有针对性的的解决方案。目前，市场上现有产品已经实现在单个芯片上集成多个独立组件，这也使得在相同尺寸下给电池提供更多空间，加大耳机电池容量，增加耳机的续航能力。兆易创新的电源管理芯片GD30WS8805集成了充电、放电、通信、保护、耳机检测、LDO等六大功能。同时在充电管理方面，可以给充电盒锂电池、耳机锂电池以及MCU供电，实现充电管理三合一。还可以配合GD32 MCU实现对于TWS电源管理系统的智能化控制。GD32E230F-TWS方案概述GD32E230F-TWS板是一款电源管理开发平台，采用Cortex®-M23内核的兆易创新GD32E230F4V6芯片作为主控MCU，以I2C接口方式与电源管理芯片PMU(GD30WS8805)进行通信，实现对单节锂电池和耳机的充放电管理。GD30WS8805具备三种模式：USB模式、BAT模式和Sleep模式，三种模式转换关系如下图所示。当USB插入、耳机插入、充电完成等状态发生时，内部寄存器相应位会改变，同时会发出一个中断脉冲，让MCU读取寄存器变化值，进行相应的充放电管理。USB模式下，方案可以同时给充电盒锂电池和耳机锂电池充电，耳机充电优先。两只耳机拥有独立的两路充电回路，可以单独为一只耳机进行充电。除此之外，该方案也给MCU供电，实现充电管理三合一。GD30WS8805拥有多种保护和检测功能，如电池过压、过流、过温保护，耳机过压、过流保护，USB插入拔出检测、耳机插入拔出检测等。它拥有一个能够输出50mA电流的3.3V LDO，可以为外部电路供电，无需额外器件。同时，GD30WS8805内置一个12位ADC，可以采集多种电压，方便用户进行电计量运算。MCU可以与GD30WS8805进行通信，灵活配置8805内部寄存器，完成充放电管理，状态转换，耳机通讯，LED闪烁多种功能。▲GD32E230F-TWS方案系统框图GD32E230F-TWS元件主要规格介绍GD30WS8805x PMU主要规格• 超低的静态电流，睡眠模式下，消耗电流<5uA;• 支持最大1.2A的对电池充电电流，最大600mA的对耳机充电电流;• 支持多种化学成分的电池，4.1/4.2/4.3/4.35/4.4V @0.5%;• 全充电流程：预充电、恒流充、恒压充;• 充电过程中的恒流充电流、恒流充跳转电压等多种参数均可由I2C自由配置;• BOOST转换效率高 @95%;• 短路、高低温、过压/欠压等多种保护;• 支持50mA输出的3.3VLDO;GD32E230系列MCU主要规格• Arm Cortex-M23@72MHz, 55DMIPS的处理性能;• Flash：64KB/32KB/16KB;• SRAM：8KB/6KB/4KB;• 高速高精度ADC, 12BitsADC x 1@2.6Msps，10通道;• 高级定时器x1，可产生6路死区可调的互补PWM输出;• 通用定时器x5;• Flash带硬件加密保护;• 多种串行通讯方式：I2Cx2, SPIx2, UARTx2;• 丰富的封装类型：TSSOP20/LGA20/QFN28/QFN32/LQFP32/ LQFP48• 供电电压：1.8V~3.6V• 工业级的工作温度范围：-40℃~ 85℃;• 工业级的ESD特性：6000 Volt;▲GD32E230F-TWS解决方案实物图GD32E230F-TWS方案特点✔ 供电范围宽方案可以使用电池供电，供电范围为2.2V-4.4V，能够保证锂电池在低电量状态时也可以让方案正常工作。✔ LDO输出能力高GD30WS8805x自带的LDO可支持3.3V/50mA输出，在保证MCU正常运行的同时，还可以带载一些外部器件。✔ 静态功耗低GD30WS8805x静态功耗低，睡眠模式下静态电流<5uA。✔ 充电效率高开关式充电，效率高，可高达95%。✔ 充电电流大能够支持最大1.2A的对电池充电电流，最大600mA的对耳机充电电流。✔ 参数可配置充电过程中的预充电跳转电压、恒流充跳转电压等多种参数均可由MCU进行配置，电池恒流充电流和耳机充电截止电流可以通过电阻进行配置，电阻为普通电阻，成本低。✔ 双向通信快支持MCU与耳机最快2M的双向通信。✔ 保护功能全支持短路，电池高低温，输入过压、过流，耳机过压、过流等多种保护。✔ 安规等级高具备了2kV的静电防护(ESD)和优异的电磁兼容(EMC)能力，符合民用级高可靠性和温度标准。▲GD30WS8805-EVAL全功能开发板实物图本方案硬件电路设计灵活，用户只需按照操作指南连接好对应接口就可以开始使用。兆易创新已经提供了完善的软件资源，并配备专门的固件库方便用户开发。同时还提供了多种烧录调试程序手段，可选择GD-Link或SWD方式END
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