Kompleksowe rozwiązanie do zarządzania energią dla aplikacji zasilanych bateryjnie

Inteligentne zarządzanie energią na powierzchni zaledwie 5×5 mm QFN32 lub 3,1×2,4 mm WLCSP oferuje inżynierom IoT rozwiązanie zarówno kwestii wydajności energetycznej, jak i dostępności miejsca. Układ nPM1300, jako najnowszy członek rodziny układów scalonych nPM typu PMIC, upraszcza projektowanie systemu, oferując również podstawowe funkcje zarządzania.

Funkcje monitorujące zapewniające stabilną pracę

Jeśli wystąpi awaria zasilania, aplikacja może nie działać poprawnie po jego przywróceniu. PMIC czeka, aż procesor zasygnalizuje, że wszystko jest w porządku. Jeśli jednak komunikat ten nie nadejdzie w określonym czasie, wyłącza wszystkie podłączone komponenty i inicjuje kolejną próbę włączenia zasilania (funkcja "boot recovery").

Czasami może być konieczny wymuszony reset urządzenia – na przykład, jeśli utknęło ono w pętli i nie może jej samodzielnie zakończyć. Dzięki zintegrowanej w nPM1300 funkcji "hard reset" możemy w takiej sytuacji wyłączyć system jednym lub dwoma przyciskami. Zmniejsza to zapotrzebowanie na miejsce, a jednocześnie zwiększa łatwość obsługi w porównaniu z osobnym układem reset.

Kolejną funkcję monitorowania zapewnia zegar watchdog. W przypadku awarii oprogramowania podczas ładowania baterii wysyła on impuls do procesora, aby zatrzymać ładowanie. Zapobiega to uszkodzeniu baterii i niepotrzebnemu zużyciu energii. Funkcja ta umożliwia zresetowanie procesora i wyłączenie całego systemu, jeśli licznik watchdog nie zostanie zresetowany po upływie określonego czasu.

Inna przydatna funkcja ostrzegawcza to "power failure warning", czyli ostrzeżenie o awarii zasilania, przydatne w momencie spadku pojemności akumulatora do minimalnej wartości lub nagłemu odłączeniu zasilania. Dzięki bezpośredniemu połączeniu PMIC jest w stanie poinformować główny procesor, że ma on do dyspozycji tylko energię zgromadzoną w kondensatorze rezerwowym. Następnie oprogramowanie może podjąć odpowiednie kroki, takie jak zainicjowanie trybu awaryjnego oszczędzania energii, który zapewnia minimalną funkcjonalność aplikacji.

Dzięki trybowi hibernacji PMIC jest w stanie przejść w stan ekstremalnego oszczędzania energii. Tylko najważniejsze części PMIC są zasilane. Wyjście z tego trybu jest możliwe za pomocą funkcji timera (przy zużyciu energii wynoszącym zaledwie kilka nanoamperów) lub poprzez naciśnięcie przycisku.

Dokładny pomiar stanu naładowania

Kolejną zaletą nPM1300 jest precyzyjny pomiar stanu naładowania, który również nie wymaga dodatkowych komponentów zewnętrznych. System osiąga dokładność licznika kulombów przy użyciu prostego i ekonomicznego pomiaru napięcia akumulatora. Podczas gdy obliczenie pojemności bazujące na pomiarze napięcia ma poziom błędu wynoszący prawie 20%, w przypadku nPM1300 jest to zaledwie 1 (przy pustej baterii) do maksymalnie 2%.

Stabilność działania PMIC (działającego od –40 do +85°C) jest również widoczna w środowisku testowym ze znacznymi wahaniami temperatury, gdzie wyniki pomiaru stanu naładowania ulegają znacznym zmianom. Podczas gdy w przypadku konwencjonalnego pomiaru napięcia poziom błędu wzrasta do 30%, w przypadku nPM1300 wynosi on tylko 4%. Dokładne wyniki pomiarów mają kluczowe znaczenie dla niezawodności urządzeń IoT. Zmiany temperatury otoczenia nie mogą mieć na nie znaczącego wpływu.

Dokładne określenie stanu naładowania akumulatora w szerokim zakresie temperatur zapewnia oprogramowanie opracowane przez Nordic, działające na mikrokontrolerze z rdzeniem jak Arm-Cortex M4 lub M33 (jak na przykład układy typu SoC od Nordic). Wydajny algorytm ocenia informacje, takie jak prąd płynący do i z PMIC, wyjście z dzielnika napięcia monitorującego napięcie na zaciskach akumulatora oraz termistor dostarczający informacji o temperaturze akumulatora.

Aby algorytm zapewniał dokładne wyniki, należy najpierw zamodelować charakterystykę akumulatora za pomocą oprogramowania nPM PowerUP oraz płytki rozwojowej PM-FG, zapewniającej odpowiednie obciążenie rezystancyjne. Proces pomiaru charakterystyki baterii jest powtarzany w sumie trzy razy w różnych temperaturach, a wynikowy model jest następnie eksportowany do oprogramowania aplikacyjnego. W przypadku zachowania tego samego typu baterii procedury nie trzeba powtarzać.

Z naciskiem na wydajność i łatwość programowania

Układ nPM1300 został zaprojektowany, aby zapewnić wydajną regulację mocy dla rodzin nRF52, nRF53 oraz nRF54 firmy Nordic, czyli zaawansowanych bezprzewodowych wieloprotokołowych systemów na chipie (SoC), które obsługują protokoły bezprzewodowe, takie jak: Bluetooth Low Energy, LE Audio, Bluetooth Mesh, Th read i ZigBee, oraz do ładowania baterii w aplikacjach opartych na układach SiP (Systems-in-Package) z serii nRF91 dla komórkowego IoT (LTE-M i NB-IOT).

Oczywiście PMIC jest również kompatybilny z mikrokontrolerami innych producentów. Jest to idealne rozwiązanie do kompaktowych i zaawansowanych produktów IoT, takich jak urządzenia osobiste ("wearbles"), inteligentne urządzenia pomiarowe, urządzenia do monitorowania lokalizacji i przenośne aplikacje medyczne. Układ nPM1300 PMIC upraszcza projektowanie systemu poprzez integrację podstawowych funkcji wymaganych dla projektów z Bluetooth Low Energy i w małej obudowie, umożliwiając dłuższy czas pracy i wydajne ładowanie baterii przy mniejszej liczbie komponentów.

Fakt, że programiści pracują tylko z jednym komponentem, upraszcza interakcję i konfigurację PMIC. Układ scalony można skonfigurować za pomocą prostego interfejsu. Korzystając z zestawu rozwojowego nPM1300 EK, ustawienia nPM1300 można zweryfikować bez konieczności rozwoju oprogramowania. Dodatkowo wszystkie ustawienia nPM1300 można dostosować w aplikacji nPM PowerUP (dostępnej w nRF Connect for Desktop) z intuicyjnym interfejsem i wyeksportować jako kod, który można zaimplementować w aplikacji użytkownika.

Krótka lista innych funkcji:

• Kontroler wejściowy z obsługą USB
• Ładowarka 800mA
• Tryb transportu i hibernacji
• Pięć wyprowadzeń GPIO i trzy do sterowania LED
• Odpowiedni dla ładowarek kompatybilnych z USB-C i akumulatorów do 1000 mAh (litowo-jonowych, litowo-polimerowych i litowo-żelazowo-fosforanowych)
• Cztery indywidualnie kontrolowane szyny zasilające: dwa wydajne regulatory step-down z ograniczeniem prądu 200 mA i dwa przełączniki obciążenia 100 mA lub regulatory liniowe 50 mA.

Robin M. Saltnes Nordic Semiconductor i Jakub Krenek, Rutronik

Rutronik
www.rutronik.com
rutronik_pl@rutronik.com