探索下一代高效紧凑型电源管理

Nordic Semiconductor公司Robin M. Saltnes

低功耗蓝牙、Wi-Fi 6和蜂窝物联网为低功耗物联网设备带来了连接性。运行这些协议的 Nordic SoC、协同IC 和 SiP 是市场上功效最高的无线解决方案之一，可以延长物联网设备的电池寿命。

但是，电源管理不仅仅需要高效芯片，来自电池或电源的电能也必须进行调节和分配，如果设备由可充电电池供电，则有时需要充电。这意味着，无论无线芯片中的处理器、无线电和内存多么高效，如果电源管理系统没有进行足够的优化，都会影响电池寿命。

在小型封装中构建紧凑的电源管理系统

构建高效的电源管理系统本来已经是一项艰巨任务，而同时要实现紧凑型设计则更具挑战性。许多物联网产品的空间是有限的，但传统的电源管理解决方案通常由多个芯片组成，例如稳压器、电池充电器、电量计、外部看门狗和硬复位装置，这些都会占用宝贵的空间。

Nordic通过nPM系列电源管理IC (PMIC)解决了电源管理在效率和空间两个方面的难题。该系列包括 nPM6001(具有六个独立控制的电源轨)、nPM1100(双模可配置降压稳压器和集成电池充电器)及最新推出的 nPM1300。这款PMIC 针对最高效率和紧凑尺寸进行了优化，将可靠运行所需的基本功能集成到一个小型封装中，从而简化了系统设计。

nPM1300提供的智能电源管理

nPM1300采用 5 x 5 mm (QFN32) 或 3.1 x 2.4 mm (WLCSP)小型封装，集成了两个降压转换器、两个负载开关、一个电池充电器、USB-C兼容输入、付运模式和电量计。这样将电源管理从多达八个芯片加相关无源器件，简化为一个芯片加几个无源器件。

除了高度集成之外，该PMIC还提供了通常必须单独添加到传统电源管理电路中的关键系统管理功能。这些功能包括启动失败恢复、硬复位、省电“休眠”模式、看门狗定时器和掉电警告等关键项目。

无需耗电的精确电量测量

对于消费者来说，准确了解物联网设备的剩余电池寿命非常有用。工程师通常通过测量电池电压来实现这一目的，电池电压可以代表剩余电量，或者使用库仑计数器来获得更精确的结果，库仑计数器是持续测量流入或流出电池的电流以确定电池总电量的设备。

电池电压测量方法简单易用，耗电量小，但精度不高，尤其是在电池受温度变化影响的情况下。库仑计数器更加精确，但需要额外的组件，耗电量也更大。相比之下，nPM1300具有高精度的电量计，兼具电池电压测量的简单性和较低功耗与库仑计数器的精确性。

Nordic通过实验对库仑计数器、电池电压测量和 nPM1300电量计进行了比较。与库仑计数器相比，电池电压计算的峰值误差接近20%。相比之下，nPM1300 的电量计与库仑计数器相比，最大误差仅为2%，并且大部分误差在 1%以内。

由软件驱动的电量计

Nordic电量计之所以能在很宽的温度范围内保持高精度，关键在于由主处理器驱动的软件算法。处理器使用的信息包括从电池流出的电流、电池端电压、系统电压和电池温度热敏电阻读数。

为了使算法生成准确的结果，首先必须“学习”电池特性(如果终端产品继续使用同一种电池，则只需学习一次)。教学使用Nordic的评测工具套件(EK)进行，该工具套件配备了电量计板，可提供合适的电阻负载，还配备了Nordic nPM PowerUP应用程序。

校准后，通过电流、电压和温度输入，主处理器使用 Nordic 开发的算法准确得出电池在设备寿命期间的电量状态。一秒钟测量频率的功耗，使得主机处理器的典型开销增加大约4微安。

从电池到天线的电源管理

为了最大限度地延长电池使用寿命，必须研究无线产品系统的每个部分如何影响整体功耗。开发人员需要优化每个组件，从电池一直到云连接，包括无线电运作、处理和电源管理，以便最大限度地利用电源。 

用户基于Nordic SoC 或 SiP (市场上功耗最低的无线芯片之一)，以及Nordic nPM6001、nPM1100 或 nPM1300 进行设计，可以获得尽可能降低无线产品能耗的绝佳基础。