Weniger Komponenten, Code-freie Konfiguration mit Energiemanagement-ICs von Nordic

Die Designanforderungen für neue wiederaufladbare drahtlose Anwendungen sind einfach: Die Geräte sollen länger funktionieren und mehr Funktionen bieten. Um das richtige Gleichgewicht zwischen Performance und Stromverbrauch zu erreichen, müssen in der Regel mehrere Kompromisse eingegangen werden, angefangen bei der Auswahl der Komponenten und von Hardware- und Softwareoptionen.

Nordic Semiconductor hat sich zum Ziel gesetzt, diese Herausforderung mit integrierten Schaltkreisen für das Energiemanagement (PMICs) zu vereinfachen, die intelligente Systemmanagementfunktionen enthalten, um den Bedarf an mehreren diskreten Komponenten zu eliminieren und eine codefreie Konfiguration zu erlauben.

Die Serie nPM1300 von Nordic besteht aus vielseitigen, integrierten PMICs, die verschiedene Nordic- und Nicht-Nordic-Hostgeräte für Anwendungen wie Wearables, Handheld-Entertainment-Geräte, IoT-Sensoren oder persönliche medizinische Geräte unterstützen.

Das PMIC-Portfolio umfasst eine Ladekomponente, die bis zu 800 mA leisten kann und eine einstellbare geregelte Spannung von bis zu 500 mA liefert. Die ICs verfügen außerdem über vier individuell steuerbare Stromschienen: zwei konfigurierbare Dual-Mode-Abwärtsregler und zwei 50-mA-LDO/100-mA-Lastschalter (die als Schalter oder lineare Spannungsregler arbeiten können).

Die nPM1300 sind außerdem mit einer Ladezustandserfassung ausgestattet, die es einem Host-Gerät ermöglicht, Temperatur, Spannung und Strom der Batterie zu messen. Entwicklungsteams können die Vorteile von Ladezustandsabschätzungen nutzen, die mit Coulomb-Zählern vergleichbar sind, bei deutlich geringerem Stromverbrauch.

Acht-in-Eins

Zu den weiteren integrierten Funktionen gehören ein Watchdog auf Systemebene und ein harter Reset. Nach Angaben von Nordic können bei der Entwicklung mit diesen PMICs die Funktionen von acht Chips und zusätzlichen Komponenten, die normalerweise als diskrete Komponenten in Embedded-Designs für Bluetooth Low Energy (BLE) implementiert werden, in einem kompakten Bauteil zusammengefasst werden.

Die eingebaute Ladekomponente kann Li-Ionen-, Li-Polymer- oder LiFePO4-Akkus aufladen. Akkupacks, die an den VBAT-Pin angeschlossen sind, müssen eine Schaltung zum Schutz vor Überspannung, Unterspannung und Überstromentladung sowie eine Thermosicherung zum Schutz vor Übertemperatur enthalten, sofern kein NTC-Thermistor vorhanden ist. Die nPM1300-Serie unterstützt zudem USB-C für die Stromversorgungs- und Datenkommunikation.

Der nPM1300-CAAA-R (Abbildung 1) wird in einem 3,1 x 2,4 mm kleinen WLCSP-Gehäuse geliefert. Andere, wie der nPM1300-QEAA-R7, werden im 5 x 5 mm kleinen QFN32-Gehäuse geliefert.

Abbildung 1: Darstellung der Energiemanagement-ICs nPM1300 von Nordic Semiconductor. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Konfigurieren eines nPM1300

Alle Einstellungen eines nPM1300 können über die grafische Benutzeroberfläche der nPM-PowerUp-App konfiguriert werden, die Nordic in seiner Desktop-Software nRF Connect zur Verfügung stellt. Nach der Konfiguration können die Einstellungen als Code exportiert werden, um sie in einer MCU-Anwendung zu implementieren.

Die Konfigurations-App kann auch mit dem Evaluierungsboard nPM1300-EK von Nordic verwendet werden (Abbildung 2), das die Evaluierung und Implementierung eines nPM1300 erleichtern soll. Die Stiftleisten des Evaluierungsboards bieten Zugang zu allen PMIC-Anschlüssen des nPM1300 und zu externen Testgeräten; drei LEDs und vier Drucktasten sind für die Evaluierung der GPIO- und LED-Treiberfunktionen eines nPM1300-PMICs implementiert.

Abbildung 2: Das Board nPM1300-EK zur einfacheren Konfiguration und Implementierung von nPM1300-Energiemanagement-ICs. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Nordic bietet auch das Erweiterungsboard nPM-FG für die Ladezustandserfassung an, das als Konstantstromsenke während der Akkuprofilierung fungiert. Die PMICs, die Konfigurationssoftware, das Evaluierungskit und das Erweiterungsboard für die Ladezustandserfassung können verwendet werden, um ein Profil der Stromquelle zu erstellen und ein Modell zu entwickeln, das stabile und präzise Vorhersagen über den Ladezustand liefert, mit einem typischen Fehler von weniger als ±3 %.

Das von nPM PowerUP generierte Batteriemodell kann für die Verwendung in jeder Anwendung exportiert werden, die den Algorithmus für die Ladezustandserfassung von Nordic verwendet. Dieser Algorithmus kann auf den meisten Nordic-Hosts ausgeführt werden und ist mit anderen nicht-Nordic-SoCs kompatibel.

Fazit

Um den Herausforderungen bei der Entwicklung neuer batteriebetriebener Geräte gerecht zu werden, müssen mehr Funktionen und Merkmale in kleinere Gehäuse gepackt werden. Die Serie nPM1300 von Nordic Semiconductor bietet ein leistungsstarkes und vielseitiges Energiemanagement für die Entwicklung von Systemen mit langer Lebensdauer, kleinem Formfaktor und hoher Performance. Die PMICs von Nordic verfügen über zahlreiche Stromversorgungs- und Systemmanagement-Funktionen, während die Evaluierungsboards und Software-Tools die Konfiguration und Optimierung von wiederaufladbaren Anwendungen ermöglichen.