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（cellular IoT）為低功耗物聯(lián)網設備帶來了聯(lián)機功能。運行這些協(xié)議的Nordic SoC、協(xié)同IC和SiP的無線解決方案，可以延長物聯(lián)網設備的電池壽命。

但是，電源管理不僅僅需要高效芯片，來自電池或電源的電能也必須進行調節(jié)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，無論無線芯片中的處理器、無線電和內存多么高效，如果電源管理系統(tǒng)不夠優(yōu)化，都會影響電池壽命。

以小型封裝打造精巧的電源管理系統(tǒng)

建置高效的電源管理系統(tǒng)本來已是一項艱巨任務，而同時要實現(xiàn)小型設計就更具挑戰(zhàn)性。許多物聯(lián)網產品的空間有限，而傳統(tǒng)的電源管理解決方案通常由多個芯片組成，例如穩(wěn)壓器、電池充電器、電量計、外部看門狗和強制重置默認裝置，這些都會占用寶貴的空間。

Nordic通過nPM系列電源管理IC（PMIC）解決了電源管理在效率和空間兩個方面的難題。該系列包括nPM6001（具有六個獨立控制的電源軌）、nPM1100（雙模式可配置降壓穩(wěn)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行了優(yōu)化，將可靠運行所需的基本功能整合在一個小型封裝，從而簡化了系統(tǒng)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，整合兩個降壓轉換器、兩個負載開關、一個電池充電器、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芯片加相關被動組件，簡化為一個芯片搭配幾個被動組件。

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

無需耗電的精確電量測量

對于消費者來說，準確了解物聯(lián)網設備的剩余電池壽命非常有用。工程師通常通過測量電池電壓來實現(xiàn)這一目的，電池電壓可以代表剩余電量，或者使用庫侖計數(shù)器來獲得更精確的結果，庫侖計數(shù)器是持續(xù)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(shù)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單性和較低功耗與庫侖計數(shù)器的精確性。

Nordic通過實驗比較庫侖計數(shù)器、電池電壓測量和nPM1300電量計。與庫侖計數(shù)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(shù)器相比，最大誤差僅為2%，并且大部分誤差在1%以內。

由軟件驅動電量計

Nordic電量計能夠在很寬的溫度范圍內保持高精度，關鍵在于由主處理器驅動的軟件算法。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(tǒng)電壓和電池溫度熱敏電阻讀數(shù)。

為了使算法產生準確的結果，首先必須「學習」電池特性（如果終端產品繼續(xù)使用同一種電池，則只需學習一次）。教學使用Nordic的評測工具套件（EK）進行，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，通過電流、電壓和溫度輸入，主處理器使用自家開發(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銷增加大約4微安培。

從電池到天線的電源管理

為了最大限度地延長電池使用壽命，必須研究無線產品系統(tǒng)的每個部分如何影響整體功耗。開發(fā)人員需要優(yōu)化每個組件，從電池一直到云端連接的，包括無線電運作、處理和電源管理，以便最大限度地利用電源。客戶采用Nordic的SoC或SiP等進行設計，可以獲得盡可能降低無線產品能耗的優(yōu)化基礎。