Scalony układ do zarządzania energią nPM1300

Scalony układ do zarządzania energią nPM1300

Najnowszy członek rodziny układów PMIC (Power Management Integrated Circuit) firmy Nordic oszczędza miejsce na PCB i integruje kluczowe funkcje zarządzania systemem.

Technologie bezprzewodowe zaimplementowane przez Nordic Semicondutor, czy to Bluetooth LE, Wi-Fi, czy komórkowe IoT, zostały stworzone do obsługi złożonych aplikacji Internetu Rzeczy przy jednoczesnym zminimalizowaniu zużycia energii i wydłużeniu żywotności baterii. Ale zarządzanie energią to coś więcej niż wydajne układy typu SoC (System-On-Chip) czy moduły SiP (System-In-Package). Napięcie zasilania musi być regulowane i dostępne na kilku niezależnych szynach, a w przypadku aplikacji zasilanych z akumulatora trzeba będzie ponadto dostarczyć zewnętrzne napięcie niezbędne do jego ładowania.

Bez względu na to, jak wydajny jest procesor i transceiver, nieefektywny system zarządzania energią wpłynie negatywnie na żywotność ładowalnych baterii. Co więcej, konwencjonalne rozwiązania zarządzania zasilaniem zazwyczaj składają się z wielu osobnych układów – na przykład regulatora napięcia, ładowarki akumulatorów, wskaźnika stanu naładowania akumulatora, zewnętrznego watchdoga i obwodów twardego resetu – które zajmują cenne miejsce w projektach o ograniczonej przestrzeni.

Nordic odpowiedział zarówno na wyzwania związane z wydajnością, jak i rozmiarami podsystemów zarządzania energią urządzeń IoT o małym poborze mocy oraz ograniczonej przestrzeni. Dokonał tego dzięki rodzinie układów scalonych do zarządzania energią (PMIC) nPM, obejmującej układy: nPM6001 (z sześcioma niezależnie sterowanymi szynami zasilania), nPM1100 (2-trybowy, konfigurowalny regulator typu buck wraz ze zintegrowaną ładowarką akumulatorów) oraz najnowszy układ nPM1300.

Rysunek 1. Układ PMIC nPM1300 ma dwie szyny zasilania regulowane przez oddzielne przetwornice DC-DC typu buck, konfigurowalne w zakresie od 1,0 do 3,3 V i oferujące wydajność prądową do 200 mA. Pozostałe dwie szyny zasilania działają jako przełączniki obciążenia – przełączając prądy do 100 mA ze źródeł zewnętrznych – ale mogą również pracować jako LDO. PMIC obsługuje akumulator za pomocą liniowego modułu ładowania o prądzie wyjściowym do 800 mA i programowalnym napięciu końcowym od 3,5 do 4,45 V

Ten ostatni został zoptymalizowany pod kątem maksymalnej wydajności i niewielkich rozmiarów, a przy tym upraszcza projektowanie systemu poprzez integrację podstawowych funkcji wymaganych do obsługi Bluetooth LE w jednej małej obudowie.

Inteligentne zarządzanie energią

Układ nPM1300 jest dostępny w obudowach: QFN32 o wymiarach 5×5 mm oraz WLCSP o wielkości 3,1×2,4 mm. Wewnątrz układu PMIC znalazły się dwa konwertery typu buck, dwa przełączniki obciążenia, ładowarka akumulatorów, wejście kompatybilne z USB-C, obwody obsługujące tryb wysyłki (ship mode) i wskaźnik naładowania. Taka integracja upraszcza obwód zarządzania energią z ośmiu układów scalonych (i wymaganych elementów pasywnych) do jednego układu scalonego z kilkoma komponentami zewnętrznymi. Ponieważ programista musi pracować tylko z jednym układem, opisywane rozwiązanie czyni zarządzanie oraz konfigurację PMIC prostszymi. Aby jeszcze bardziej ułatwić proces, układ nPM1300 można skonfigurować pod kątem konkretnej aplikacji za pomocą programu nPM PowerUP PC, przeznaczonego do generowania kodu konfiguracyjnego; nPM1300 zawiera także kluczowe funkcje zarządzania systemem, które w typowych obwodach zarządzania energią zazwyczaj muszą być dodawane indywidualnie. Funkcje te sprawiają, że omawiany produkt jest najbardziej zintegrowanym układem PMIC na rynku.

Pierwszą funkcją zarządzania systemem w nPM1300 jest powrót do prawidłowego stanu systemu po nieudanym uruchomieniu. Jeśli takie zdarzenie wystąpi (tj. gdy obwody zasilania urządzenia zawieszą się w trakcie uruchamiania, jeszcze przed włączeniem watchdoga), PMIC odczeka, aż procesor zarządzający wskaże, że wszystko jest w porządku. Jeśli komunikat ten nie nadejdzie, PMIC ponownie uruchomi cykl zasilania wszystkich podłączonych urządzeń, aby podjąć kolejną próbę rozruchu.

Rysunek 2. nPM1300 dołącza do nPM1100 i nPM6001 w rodzinie układów PMIC firmy Nordic. PMIC jest zoptymalizowany pod kątem maksymalnej wydajności i niewielkich rozmiarów oraz jest konfigurowany za pomocą kompatybilnego z I²C interfejsu dwuprzewodowego (TWI). Interfejs ten umożliwia łatwy dostęp oraz konfigurację szeregu zaawansowanych funkcji zarządzania systemem

Układ nPM1300 ma ponadto funkcję twardego resetu, realizowaną poprzez użycie jednego lub dwóch przycisków do wyłączenia zawieszonego urządzenia. Chociaż istnieją układy peryferyjne, które umożliwiają twardy reset, wbudowanie tej funkcji bezpośrednio w PMIC oszczędza miejsce na PCB i jest nieporównanie wygodniejsze pod względem aplikacyjnym.

Dodatkowo Nordic PMIC wyposażony został w tryb „hibernacji”. Jest to tryb oszczędzania energii, który zasila tylko najważniejsze części PMIC. Uruchomiony zostaje timer (zużywający znikomy prąd na poziomie nanoamperów), wybudzający PMIC po określonym czasie. Timer może zostać wyłączony poprzez naciśnięcie przycisku.

Precyzyjny pomiar stanu naładowania akumulatora

W przeciwieństwie do wielu konkurencyjnych rozwiązań, nPM1300 zawiera bardzo dokładny wskaźnik poziomu naładowania akumulatora, niewymagający żadnych zewnętrznych komponentów. Urządzenie łączy w sobie precyzję licznika kulombów (który w sposób ciągły mierzy prąd wpływający do akumulatora lub wypływający z niego – i całkuje jego wartość po czasie, w celu określenia całkowitego naładowania ogniwa) z niewielkim zużyciem energii oraz prostotą pomiaru napięcia akumulatora.

Rysunek 3. Mając informacje o prądzie, napięciu i temperaturze, procesor używa opracowanego przez Nordic algorytmu do dokładnego określenia stanu naładowania akumulatora

Ze względu na swoje nieskomplikowanie, pomiar napięcia źródła energii stanowi popularną technikę oceny stanu naładowania. Ponieważ różnica potencjałów pomiędzy biegunami baterii lub akumulatora spada wraz z jego rozładowywaniem, napięcie zmierzone w określonym czasie okazuje się dobrym wskaźnikiem pozostałych rezerw energii ogniwa. Chociaż metoda ta może dawać zadowalające wyniki w laboratorium, to w praktycznych scenariuszach aplikacyjnych często wiąże się ona z poważnymi niedokładnościami.

Nordic przeprowadził kilka eksperymentów, w których porównano metodę licznika kulombów z pomiarem napięcia baterii i wskaźnikiem naładowania nPM1300. W porównaniu z licznikiem kulombów, obliczenia napięcia baterii wykazały prawie 20-procentowy błąd przy pełnym naładowaniu, zmniejszając się do 10 procent w miarę wyczerpywania się ładunku. Dla porównania, wskaźnik stanu naładowania nPM1300 wykazywał maksymalnie dwuprocentowy błąd w najgorszym przypadku – w porównaniu z licznikiem kulombów, ale w większości mieścił się w granicach jednego procenta (w miarę wyczerpywania się baterii).

Układ nPM1300 zawiera kluczowe funkcje systemowe, które sprawiają, że produkt ten jest najbardziej zintegrowanym układem PMIC na rynku

Niedokładności zwykłego pomiaru napięcia baterii zwiększają się, jeśli jest ona narażona na wahania temperatury. W ekstremalnym teście, w którym temperatura baterii wahała się od –10 do +50°C w ciągu 20 minut, technika pomiaru napięcia wykazywała do 30% błędu, podczas gdy maksymalny błąd wskaźnika stanu naładowania nPM1300 wynosił zaledwie 4% (w porównaniu do licznika kulombów).

Kluczem do dokładności pomiaru stanu naładowania w szerokim zakresie temperatur jest algorytm uruchamiany przez procesor hosta (więcej informacji na ten temat można znaleźć w sekcji Dokładne określenie poziomu naładowania akumulatora). Aby algorytm mógł generować dokładne wyniki, musi najpierw zostać „nauczony” charakterystyki akumulatora –  wystarczy jeden raz, jeśli produkt końcowy będzie nadal używał tego samego typu ogniwa. Uczenie odbywa się za pomocą zestawu ewaluacyjnego wyposażonego w płytkę nPM-FG (Fuel Gauge – wskaźnik „paliwa”), umożliwiającego zapewnienie odpowiedniego obciążenia rezystancyjnego – oraz poprzez aplikację nPM PowerUP. Proces jest powtarzany trzykrotnie w różnych temperaturach, aby umożliwić aplikacji zbudowanie dokładnego modelu akumulatora – jest on następnie eksportowany wraz z resztą kodu konfiguracyjnego do kodu źródłowego aplikacji.

Dokładne określenie poziomu naładowania akumulatora
Klucz do dokładnego wskaźnika stanu naładowania akumulatora w nPM1300 PMIC stanowi algorytm uruchamiany na mikrokontrolerze zarządzającym systemem, który jest używany do wyliczenia stanu naładowania akumulatora. Wbudowany procesor, taki jak Arm Cortex-M33 używany w Nordic nRF5340 SoC, ma wystarczającą moc obliczeniową do uruchomienia algorytmu, bez wpływu na działanie kodu aplikacji. Procesor korzysta z informacji, takich jak prąd wpływający do PMIC i wypływający z niego, wyjście z dzielnika napięcia monitorującego napięcie na zaciskach akumulatora oraz sygnał z termistora dostarczający informacje o temperaturze akumulatora. Dzięki informacjom o prądzie, napięciu i temperaturze, procesor hosta używa opracowanego przez Nordic algorytmu do dokładnego określenia stanu naładowania baterii. Odczyty raz na sekundę okazują się wystarczające do uzyskania dokładnego pomiaru, a zapotrzebowanie na pamięć danych wynosi zaledwie kilka kilobajtów. Zużycie energii dla jednosekundowej częstotliwości pomiaru dodaje około czterech dodatkowych mikroamperów do typowego prądu SoC. Jeśli procesor jest uśpiony, nie będzie dokonywał pomiarów stanu naładowania akumulatora, ale gdy tylko zostanie obudzony, natychmiast przeprowadzi nowe pomiary w celu określenia aktualnego stanu naładowania akumulatora.

Podsumowanie

nPM1300 to wydajny i kompaktowy układ PMIC, który oszczędza miejsce dzięki wbudowanym kluczowym funkcjom zarządzania systemem. Zawiera również bardzo dokładny wskaźnik stanu naładowania akumulatora. PMIC będzie współpracował z nadchodzącymi układami Nordic nRF54H20, nRF54L15 oraz z SoC rodzin nRF53 i nRF52; może być ponadto używany z mikrokontrolerami innych producentów. PMIC zachowuje także kompatybilność z SiP rodziny nRF91 (moduły LTE-M/NB-IOT) do zasilania urządzeń peryferyjnych i ładowania baterii. Moduł SiP podłącza się wtedy pod nieregulowaną szynę zasilania nPM1300 (VSYS), ponieważ ma on własny zintegrowany i wysokowydajny obwód zarządzania energią.

Używając układu nPM1300 wraz z SoC lub SiP firmy Nordic, projektant może zoptymalizować system zasilania swojego produktu bezprzewodowego, aby zmaksymalizować żywotność akumulatora.

Ten artykuł został ponownie opublikowany za zgodą Nordic Semiconductor’s Wireless Quarter www.nordicsemi.com/News/Wireless-Quarter.

Więcej informacji:
 
Nordic Semiconductor Poland Sp. z o.o., 31-201 Kraków, Bratysławska 1A, tel. +48 600 439 203, www.nordicsemi.com
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
czerwiec 2024

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2024

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec - sierpień 2024

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje czerwiec 2024

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2024

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich lipiec 2024

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów