TWS 市場概況
根據市場調研機構 Countpint 的調研信息顯示2021 年全球品牌 TWS 耳機銷量達 3.1 億台，同比增速達 33 %。據 Canalys 數據報告顯示，2022 年 Q1 全球品牌 TWS 耳機出貨量則達到 6800 萬台。
圖 1 – TWS 耳機市場狀況（資料來源 Countpoint）
下圖是充電倉的常見框圖，充電倉內一般會包含鋰電池包、充電 IC、過壓過流保護 IC、升壓 IC、鋰電保護 IC、MOS 管。有分離方案也會有集成方案，即把 Charger、Boost、Load Swith 等包成一顆 IC，使得整個充電倉的集成度更高。另外，如果充電倉要做更高階的應用，如多路呼吸燈，與耳機端進行雙向通訊功能，則需要用到 MCU 對外設進行控制及做協議的收發。
圖 2 – TWS 充電倉框圖
微源半導體是行業領先的模擬晶片設計公司，持續專注於以電源管理晶片為主的模擬晶片領域，致力於為客戶提供完整的電源管理解決方案和技術服務，目前就擁有完整的 TWS 耳機整體解決方案，更是推出了領先的超高效率快充集成方案 -- LP7810 + LP4080，可以讓工程師創建非常簡潔的高效率 TWS 快充系統，支持 5C 充電電流，使耳機實現充電 3 分鐘聽歌 2 小時的用戶體驗，同時讓充電倉電池的續航時間延長 20 %，用更快的充電速度以及更長的充電倉電池續航時間進一步提升用戶的體驗。
下面就詳細描述本方案有使用的重要器件。本方案主要使用了中科藍訊 AB132A MCU、微源 LP7810QVF 充電管理 IC、微源 LP5305QVF OCP/OVP IC、微源 LPB1003B5F 鋰電保護 IC、艾為 AW86504STR 霍爾傳感器。
中科藍訊 AB132A MCU
- CPU：32 bit RISC-V，主頻 120 MHz
- RAM：64 KB，Flash：256 KB
- 內置 4 路低功耗電容觸摸按鍵
- 內置軟開關 PMU 電路功能，帶 PWRKEY 按鍵喚醒與 5V 充電喚醒
- 最多可支持 21 個 GPIO
- 32 bit Timer、PWM、UART、SPI、IR、SD、USB、I2S、IRTC 32K
- 內置 Codec，DAC 96 dB SNR
- 封裝：QFN32，4 x 4 mm
- 工作溫度： - 40 ~ + 85 ℃
所以目前我們是單用了中科藍訊 AB132A MCU 部分的功能，主要是 IO、UART、I2C、PMU 的功能。另外，中科藍訊 AB132A 其實是一顆單晶片 USB Audio 控制器，還內置了音頻相關功能。關於中科藍訊 AB132A MCU 的詳細參數規格，可以參考以下博文：https://www.wpgdadatong.com/blog/detail?BID=B4403
圖 3 – 中科藍訊AB132A系統架構
微源 LP7810QVF 充電管理 IC
① 內置 OVP，30V 輸入耐壓② 充電管理
- 可編程充電電流，最高930 mA
- 可編程浮充電壓，0 ~ 4.4 V，精度 0.5%
- 1 / 10 C 預充電流
③ 放電管理
- 智能放電電壓管理，最大化電池壽命
- 95% 升壓轉換效率
- 左右耳最大電流 250 mA，可編程 EOC 電流
- 輸出電壓動態跟隨耳機電池電壓
④ 內置 7 V LDO 常開輸出
⑤ 溫度管理
- NTC 支持充放電保護
- 默認 0 ~ 45 ℃ 充電
- ＜ - 10 ℃ ，＞ 60 ℃ 放電保護
⑥ 耳機雙通道獨立入倉檢測，支持單 / 雙向通訊
⑦ 支持通過 I2C 配置充電參數，並在特定事件發生時給 MCU 發出中斷信號
⑧ 4 μA 超低靜態電流
⑨ 支持雙燈顯示，極簡外圍，只需 6 個阻容
⑩ QFN-16，3 x 3 mm 封裝
圖 4 – 微源 LP7810QVF 典型電路圖
微源 LP5305QVF OCP/OVP
① 高達 30 V 耐壓，85V 輸入過壓保護② 300 mA ~ 1.5 A 過流可調
③ 4.35 V 電池電壓過壓保護
④ 異常狀態指示
⑤ DFN-8，2 x 2 mm 封裝
圖 5 – 微源 LP5305QVF 典型電路圖
►場景應用圖
►展示板照片
►方案方塊圖
►核心技術優勢
① 支持 30 V 耐壓，內置 OVP 保護、輸出過流保護 ② 支持充放電參數獨立配置： - 充電電流和恆壓充電電壓可配置 - 放電電流和放電電壓可配置 - 放電截止電流可配置 ③ 支持負載檢測和雙向通信 ④ 支持特定事件觸發的中斷信號 ⑤ VOL / VOR 輸出的電壓動態跟隨耳機的電池電壓 ⑥ 支持休眠狀態下 5 V 常供電或 2.7 V 電壓常供電
►方案規格
① 2 層 Layout 板，尺寸可根據 TWS 充電倉結構進行調整 ② 支持 30 V 耐壓，內置 OVP 保護、輸出過流保護 ③ VOL / VOR 支持負載檢測和雙向通信 - 充電倉開蓋即處於 2.7 V 通訊電壓，可發送左右耳信息 & 充電倉電池電量信息 - 充電倉開蓋長按充電倉按鍵 3 s，擦除藍牙配對信息 - 耳機電池滿電後，充電倉會發指令讓耳機關機 - 充電倉關蓋 VOL / VOR 輸出 2.7 V 負載檢測電壓，檢測到有負載，進入充電 ④ VOL / VOR 輸出的電壓動態跟隨耳機的電池電壓 ⑤ 充電倉休眠 & 功耗 - 可支持休眠狀態下 5 V / 2.7 V 電壓常供電，用於適配常開型 / 關斷型耳機 - 放電電流（即給耳機充電時的充電倉電流）：40 mA - 放電結束電流：10 mA - 休眠電流：20 μA（耳機開機放入充電倉充滿後休眠電流） ⑥ NTC 支持充放電保護，默認 0 ~ 45 ℃ 充電；＜ - 10 ℃ ，＞ 60 ℃ 放電保護