2021年08月27日 | 来看看这颗国产料——兆易创新GD30WS8805评测

WS（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。