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1颗顶8颗！高效率PMIC nPM1300评估套件上手体验

面包板社区  · 公众号  ·  · 2024-05-08 20:00

正文

1. 前言

最近收到了 面包板社区 寄来的一块板子，基于Nordic最新出品的nPM1300电源管理芯片的评估套件。关于电源管理芯片，大家可能熟知的是一些分立的芯片，比如升降压、电源监控、POR复位、充放电管理等功能，但是把这些功能都集成到一颗芯片上的却很少见。本篇文章我们一起来体验有史以来 第一款集成了所有必要功能的电源管理IC （PMIC）—— nPM1300 。

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2. Nordic半导体

nPM1300是Nordic的一款PMIC电源管理芯片，Nordic即北欧半导体，成立于1983年，对于做蓝牙低功耗相关产品开发的朋友应该不陌生，是超低功耗无线技术的开创者，也是无线技术领域的代表性企业。
Nordic总部位于挪威，拥有蓝牙、ANT+、Thread 和 Zigbee、WiFi、NB-IoT技术。
Nordic的低功耗蓝牙SoC因其高性能、易于设计的特性，被广泛应用于物联网领域，包括无线PC外设、游戏、运动和健身、手机配件、消费电子、玩具、医疗保健和自动化产品等。
虽然很多SoC已经集成电源管理功能，但是受限于功耗、效率、充放电管理等方面，很多用户还需要外置的电源管理芯片来完成复杂的功能需求。常见的电源管理芯片架构通常比较简单，一般支持多路可调电压输出，并支持外部电池进行充放电管理。
随着智能家居、可穿戴产品对于产品尺寸、性能、续航的需求，电源管理芯片的功能也随之增加，比如：
  • 异常情况时需要硬件重置
  • 更长的电池寿命
  • 精确的电池电量统计
  • 快速安全的充放电
  • 更小的体积、更高的效率
本篇文章要评测的这款电源管理IC——nPM1300就包括以上所有的功能。

3. nPM1300评估套件硬件资源

和Nordic众多开发板、评估板一样，nPM1300评估套件也是采用青蓝色PCB设计，板子整体尺寸长100mm，宽64mm，采用4层PCB设计，基于AltiumDesigner设计软件。
官方提供所有的硬件资料，如PCB和原理图，生产设计制造所需要的钻孔文件、BOM、Gerber、贴片文件等所有文件。下面我们来详细看一下板子的硬件资源：
  • nPM1300核心芯片，QFN32封装，所有管脚通过标准的2.54mm间距排针引出，可用于灵活评估和测量
  • 1路SHPHLD按键，3路GPIO轻触按键，3路LED指示灯
  • 支持两种电池接口，带NTC和不带NTC的电池
  • 主控芯片为nRF5340，通过USB串口和上位机进行连接，并通过IIC通讯配置nPM1300的寄存器
  • 两个USB-C接口，一路接口连接到nRF5340，作为USB串口功能，另一路接口直接连接到nPM1300
  • 多个电压测试点，可方便使用示波器、万用表进行连接
  • 一组外部扩展接口，可以用来连接配套的电量计扩展板
nPM1300评估套件系统框图如下：
PCB顶层和底层
PCB 3D效果：
nPM1300芯片特写
USB-C接口
板载的3路用户按键
LED
电池接口
管脚通过排针引出
扩展接口可以下图所示的电量计扩展板，用于生成电池的充放电模型。

4. nPM1300芯片特性简介

了解了评估板的硬件资源之后，我们重点来看一下这块板子的核心—— nPM1300芯片 。
从官方数据手册我们可以看到芯片内部的结构：
主要包括以下几个部分：
  • DC-DC BUCK转换器
  • 电池充放电管理部分
  • GPIO和LED驱动部分
  • 数字接口总线部分
  • 负载开关部分
nPM1300详细的电气特性如下：
  • 两路超高效的DC-DC降压输出，1.0-3.3v可调，最大200mA输出
  • 32-800mA可调节的充电电流，步长2mA，支持NTC输入，输出电压3.5v至4.45v
  • 对于电池容量没有限制，支持锂离子电池、锂聚合物电池和磷酸铁锂电池
  • 两路100mA负载开关或50mA LDO，支持电压1.0-3.3v
  • 支持USB Type-C接口，CC管脚可以直接连接到芯片管脚，芯片内部自带了5.1k下拉电阻，无需外部配置
  • 输入电压4.0-5.5v，最高1.5A，22v过压保护
  • 5路可配置的GPIO，3路可配置的LED输出
  • 完全兼容I2C的TWI数字总线接口，最高支持400KHz速度
  • 180nm工艺制造，工作温度范围-40℃至85℃，PN结温小于125℃
  • 两路硬件复位，看门狗定时器，唤醒定时器，通用定时器
  • 10位精度的ADC用来测量输入电压、电池电压、电流和芯片温度
  • 支持电量统计功能，通过内部ADC采样电池电压、电流、温度值，通过官方算法可精确进行电量统计
  • 过压、欠压、过流保护，温度保护
  • 超小的封装尺寸：3.1x2.4 mm WLCSP 和 5.0x5.0 mm QFN
  • 最少只需要5个无源器件即可使用
  • 支持超低功耗的运输模式，出厂模式静态电流为370nA
  • 图形化界面配置，一键导出配置到用户的MCU应用中
在不同输出电流下的转换效率，最高可以达到95%左右，还是非常高效的！
常见的应用场景如：
  • 可穿戴设备
  • 手持娱乐设备
  • 手提式医疗设备
  • 可充电智能家居传感器
  • 鼠标、键盘、触摸板
  • 体感游戏等交互式娱乐设备
  • 低功耗传感器等IOT设备

5. nPM1300一颗更比八颗强

nPM1300可以让用户的工作更轻松， 硬件工程师不需要写代码，软件工程师不需要阅读数据手册 ，开箱即用，只需要在直观可视化的GUI界面里进行设置，并导出overlay文件，然后添加到你的SDK项目中即可使用。
相比于多颗独立的电源管理芯片，nPM1300几乎集成了所有电源管理芯片的功能，它将以下8颗芯片的功能集成在一起，包括：
  • 1颗充电管理芯片
  • 2颗BUCK降压芯片
  • 2颗负载开关芯片
  • 1颗电量计芯片
  • 1颗看门狗芯片
  • 1颗硬件复位芯片
常规的分立芯片设计需要很多无源器件，导致原理图复杂、PCB面积大、BOM成本高，nPM1300所需要的外围电路非常简单，最少只需要5个无源器件即可使用。
官方提供了两种封装的推荐布局方案：
https://nsscprodmedia.blob.core.windows.net/prod/software-and-other-downloads/reference-layouts/npm1300/qfn/npm1300-qeaa-reference-layout-1_1.zip
https://nsscprodmedia.blob.core.windows.net/prod/software-and-other-downloads/reference-layouts/npm1300/wlcsp/npm1300-caaa-reference-layout-1_0.zip
常规分立芯片与nPM1300原理图设计对比：
PCB尺寸对比设计：
可以说，nPM1300是真正的 1颗更比8颗强！

6. nPM1300评估套件上手体验

下面我们来简单使用一下nPM1300评估套件，由于我手头没有可用的锂电池，所以本次体验不涉及充放电、电量计等功能。
首先需要下载配套的上位机软件： nRF-Connect-for-Desktop ，它支持常用的Windows、Linux、MacOS三大平台，目前最新版本是：
nrfconnect-setup-4.4.1-x64.exe ，下载完成之后进行安装，它会同时安装Jlink驱动：
安装完毕之后，打开软件，可以看到这个工具是Nordic芯片常用上位机软件的集合，我们评测的是PMIC，所以我们还需要再安装nPM PowerUP，
如果出现安装失败的情况，可以多试几次，或者重启电脑。
安装完成之后，准备两根Type-C的USB数据线，同时连接板卡的两个USB接口到电脑，可以看到LD4指示灯在呼吸闪烁，如果USB PMIC接口未连接，LD4指示灯是快速闪烁状态。
连接电脑之后，设备管理器会多出两个串口号：
第一次使用这个软件，需要先更新板卡上SoC的固件：
打开nPM PowerUP软件连接板卡，可以在底部控制台看到日志： 
14:52:40.188    Device Connected SN:EE177EE0F1D0259B
14:52:40.189    Getting serialport options from persistent store EE177EE0F1D0259B.pc-nrfconnect-npm
14:52:40.190    Device Connected SN:null
14:53:45.467    Selected device with s/n EE177EE0F1D0259B
14:53:45.478    Opened port with options: {"path":"COM4","baudRate":115200}
14:53:45.575    Closed port: COM4
14:53:45.575    Device setup ready for device with s/n EE177EE0F1D0259B
14:53:45.581    Opened port with options: {"path":"COM4","baudRate":115200}
14:53:47.831    Reset cause: SWRESET
图形化界面如下图所示：
各个窗口基本的功能：
  • DASHBOARD：nPM1300芯片的整体配置
  • CHARGER：电池充电电流、电压配置
  • REGULATORS：DC-DC转换器和负载开关配置
  • GPIOS：5个GPIO和3个GPIO配置
  • SYSTEM FEATURES：系统复位、定时器、POR、输入电流等配置
  • PROFILES：电池模型创建和加载
  • GRAPH：电池电压、电流、温度实时曲线
通过滑块调整电压或手动输入数字，可以任意调节输出的电压值，使用万用表或示波器测量VOUT1和VOUT2电压值，会随着设定值变化。由于我手头没有可用的锂电池，所以本次评测没有对充放电、电量统计功能进行评估。
感兴趣的朋友可以连接一块电池进行测试，可以在软件中看到电池的实时电压、电流、温度等信息。
官方也提供有这款评估套件配套的电量计扩展板—— nPM Fuel Gauge Board ，生成电池的充放电模型数据。据官方介绍，12 小时内-20°C～+60°C 温度变化情况下，软件算法电量计精度误差在 3%以内。






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