使用nPM1300延长电池使用寿命并增加USB-C充电功能
本帖最后由 Wallytina 于 2025-4-7 17:15 编辑Nordic 的nPM1300是特别适用于nRF52和nRF53系列等 SoC的电源管理集成电路( Power Management IC，PMIC)。相比SoC 的内部稳压器，这款PMIC采用更大的180 nm工艺制造，在提高效率的同时还提供了电池充电和系统管理等附加功能，而这些功能通常需要单独的IC来实现。在本文中，我们将介绍如何将 nPM1300 用作电压调节器和电池充电器，使得应用产品的电池寿命较直接使用SoC上的内部稳压器更长。我们还将介绍如何用nPM1300轻松实现USB Type-C充电，并在您的软件中进行配置。PMIC 是什么？许多系统级芯片(SoC)(包括Nordic的nRF52和nRF53系列)都可以直接使用可充电电池，这是通过SoC内部的稳压器将电池电压调节到SoC的系统电压来实现的。作为SoC产品，内部的所有组件都需要采用相同的工艺节点，而对于数据处理(如MCU或SoC的处理器内核)而言，工艺节点越小越好。然而，对于电源调节而言，较小的工艺节点意味着较多的漏电流和较高的单个晶体管成本，这使得内部电压调节器的效率更低，实施成本过高，因此越来越多的 SoC 制造商在产品中省去了内部电压调节，转而要求用户配置外部稳压器或PMIC。PMIC是将电源调节和传输任务从主应用SoC 中分离出来单独处理的独立电路。PMIC还可以加入电池充电功能，这是SoC很少具备的功能。PMIC 很可能使用开关稳压器，而不是将所有过剩电压转化为热量的低效低压差稳压器(LDO)。降压稳压器(BUCK)最适合将电源从电池电压转换为SoC系统电压，它采用特定的占空比开关电压，以产生正确的电压，然后使用LC滤波器将方波平滑为合适的直流电压。与SoC或MCU等现代处理硬件相比，使用更大的工艺节点可以更高效、更廉价地实现这一目标。例如，我们将在本篇博文中详细介绍采用180 nm工艺制造的nPM1300 PMIC。如何选择适合的 PMIC为了选择适合的 PMIC，需要考虑以下因素：我的系统需要多少个电源轨？有时，解决方案中的所有组件都可以由同一电源轨供电，这就要求所有组件都能够在相同的电压下工作，并且所有组件合计的电流消耗不超过电源轨稳压器的电流输出能力。如果组件需要不同的电压才能工作，使用PMIC的两个独立电源轨相比使用外部稳压器或分压器更有效。使用不同的电源轨还能够确保稳定性，因为如果一个子系统超过预期电流限制，也不会影响另一个子系统。预计系统消耗的最大电流负荷是多少？显然，PMIC需要能够为供电的所有组件提供电流。这有时很难计算，最安全的方法是查看规格表，总是以任何组件所能承受的最大负荷为尺度，但这会导致电源传输子系统的设计数值严重过大。更好的方法是测量特定应用在硬件运行时的峰值电流，并将电源传输子系统的电流数值设计在系统最大电流范围内，再加上[假设数值]%的安全系数。但这并不总是可行的，因为必须先构建解决方案，然后才能测量电流消耗。至少对于Nordic SoC 而言，最好同时也是最实用的方法是使用我们的在线功耗分析器。可以输入应用的无线电设置，并且估算出 SoC 的功耗要求。无线电设置至关重要，因为无线电往往是无线 SoC 中最耗电的部分。我需要哪些附加功能？根据制造的设备类型，你可能需要在设计时考虑到电源传输问题，而不只是简单地输入和输出合适的电压和电流。例如考虑到IP防护等级或为了使设备尽可能小巧，你可以使用不可拆卸的电池。对于这种设备的用户来说，不可拆卸电池带来了一个难题：如果设备锁定，应该怎么办？按钮通常是通过软件实现的，在这种情况下显然会变得毫无反应，而硬件电源开关在现代设备中也很少见。通常情况下，只需拔下电池即可强制电源循环。对于不可拆卸电池来说，这是不可行的，因此必须执行某种硬复位开关。硬复位开关可以作为独立的集成电路来实现，它的唯一功能就是硬复位，也可以通过PMIC的附加系统管理功能来实现。你可能希望在电源管理子系统中实现其他功能，包括电量计IC、外部看门狗和休眠定时器。这些功能通常由添加专用的 “监控器IC” 来实现，而使用nPM1300则不必这样做，因为它们已直接集成在PMIC中。如何旁路内部稳压器以提高效率选择好PMIC后，就可以开始设计电源管理子系统了。第一个步骤是确保系统以所能达到的最高效率运行。充满电的锂电池最大电压可达4.25 V，但许多 SoC无法在如此高的电压下运行，因为内部的处理内核需要非常特殊的电压。为确保处理器获得正确的电压，SoC几乎都包含用于最后步骤的稳压器，允许在一定电压范围内为SoC供电。除此之外，许多SoC还包括一个额外的稳压器步骤，使得SoC能够在没有外部稳压器的情况下通过电池或USB电源运行。这种内部稳压器与SoC的其他部分一样，都是采用很小的工艺节点，因而效率低于建立在较大工艺节点上的稳压器。举例来说，nRF5340 SoC的最大工作电压为3.6 V，因此要直接使用电池工作，就需要在SoC的电压输入(VDD)之前增加一个稳压器。独立的VDDH输入包括这个额外的第一稳压器，将电压降低到VDD可接受范围内的数值，进而为SoC供电。docs.nordicsemi.com 上的 nRF5340 SoC 在线文档
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