探索下一代高效小型電源管理

低功耗藍牙、Wi-Fi 6和蜂巢式物聯(lián)網(wǎng)（cellular IoT）為低功耗物聯(lián)網(wǎng)設備帶來(lái)了聯(lián)機功能。運行這些協(xié)議的Nordic SoC、協(xié)同IC和SiP的無(wú)線(xiàn)解決方案，可以延長(cháng)物聯(lián)網(wǎng)設備的電池壽命。

但是，電源管理不僅僅需要高效芯片，來(lái)自電池或電源的電能也必須進(jìn)行調節和分配，如果設備由可充電電池供電，則偶爾需要充電。這意味著(zhù)，無(wú)論無(wú)線(xiàn)芯片中的處理器、無(wú)線(xiàn)電和內存多么高效，如果電源管理系統不夠優(yōu)化，都會(huì )影響電池壽命。

以小型封裝打造精巧的電源管理系統

建置高效的電源管理系統本來(lái)已是一項艱巨任務(wù)，而同時(shí)要實(shí)現小型設計就更具挑戰性。許多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的空間有限，而傳統的電源管理解決方案通常由多個(gè)芯片組成，例如穩壓器、電池充電器、電量計、外部看門(mén)狗和強制重置默認裝置，這些都會(huì )占用寶貴的空間。

Nordic通過(guò)nPM系列電源管理IC（PMIC）解決了電源管理在效率和空間兩個(gè)方面的難題。該系列包括nPM6001（具有六個(gè)獨立控制的電源軌）、nPM1100（雙模式可配置降壓穩壓器和整合電池充電器）及nPM1300。這款PMIC針對最高效率和小尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，將可靠運行所需的基本功能整合在一個(gè)小型封裝，從而簡(jiǎn)化了系統設計。

智慧電源管理

nPM1300采用5 x 5 mm（QFN32）或3.1 x 2.4 mm（WLCSP）小型封裝，整合兩個(gè)降壓轉換器、兩個(gè)負載開(kāi)關(guān)、一個(gè)電池充電器、USB-C兼容輸入、運輸模式和電量計。這樣將電源管理從多達八個(gè)芯片加相關(guān)被動(dòng)組件，簡(jiǎn)化為一個(gè)芯片搭配幾個(gè)被動(dòng)組件。

除了高度整合之外，PMIC還提供通常必須單獨添加到傳統電源管理電路中的關(guān)鍵系統管理功能。這些功能包括啟動(dòng)失敗恢復、強制重置默認裝置、省電「休眠」模式、看門(mén)狗定時(shí)器和掉電警告等關(guān)鍵項目。

無(wú)需耗電的精確電量測量

對于消費者來(lái)說(shuō)，準確了解物聯(lián)網(wǎng)設備的剩余電池壽命非常有用。工程師通常通過(guò)測量電池電壓來(lái)實(shí)現這一目的，電池電壓可以代表剩余電量，或者使用庫侖計數器來(lái)獲得更精確的結果，庫侖計數器是持續測量流入或流出電池的電流以確定電池總電量的裝置。

電池電壓測量方法簡(jiǎn)單易用，耗電量小，但精準度不高，尤其是在電池受溫度變化影響的情況下。庫侖計數器更為精確，但需要額外的組件，耗電量也更大。相比之下，nPM1300具有高精度的電量計，兼具電池電壓測量的簡(jiǎn)單性和較低功耗與庫侖計數器的精確性。

Nordic通過(guò)實(shí)驗比較庫侖計數器、電池電壓測量和nPM1300電量計。與庫侖計數器相比，電池電壓計算的峰值誤差接近20%。相比之下，nPM1300 的電量計與庫侖計數器相比，最大誤差僅為2%，并且大部分誤差在1%以?xún)取?

由軟件驅動(dòng)電量計

Nordic電量計能夠在很寬的溫度范圍內保持高精度，關(guān)鍵在于由主處理器驅動(dòng)的軟件算法。處理器使用的信息包括從電池流出的電流、電池端電壓、系統電壓和電池溫度熱敏電阻讀數。

為了使算法產(chǎn)生準確的結果，首先必須「學(xué)習」電池特性（如果終端產(chǎn)品繼續使用同一種電池，則只需學(xué)習一次）。教學(xué)使用Nordic的評測工具套件（EK）進(jìn)行，該工具套件配備了電量計板，可提供合適的電阻負載，還配備了Nordic nPM PowerUP應用程序。

校準后，通過(guò)電流、電壓和溫度輸入，主處理器使用自家開(kāi)發(fā)的算法準確得出電池在設備壽命期間的電量狀態(tài)。一秒鐘測量頻率的功耗，使得主機處理器的典型開(kāi)銷(xiāo)增加大約4微安培。

從電池到天線(xiàn)的電源管理

為了最大限度地延長(cháng)電池使用壽命，必須研究無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品系統的每個(gè)部分如何影響整體功耗。開(kāi)發(fā)人員需要優(yōu)化每個(gè)組件，從電池一直到云端連接的，包括無(wú)線(xiàn)電運作、處理和電源管理，以便最大限度地利用電源?？蛻?hù)采用Nordic的SoC或SiP等進(jìn)行設計，可以獲得盡可能降低無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品能耗的優(yōu)化基礎。