Vítejte, dnes je
pátek
17.
květen
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky 
Pokud chytré aplikace něco postrádají, je to dostatek volného místa. Složitost a výkonnost IoT aplikací se stále zvyšuje, a proto je pro vývojáře důležité hledat cesty ke snižování jejich spotřeby a prodloužení výdrže integrovaných nabíjecích baterií. Energeticky úsporné SoC, SiP nebo speciální IC to samy o sobě nevyřeší.
Pokud máme skutečně dosáhnout dlouhodobé udržitelnosti, neobejdeme se bez účinného systému pro řízení energie. Tento systém rovněž reguluje jednotlivé požadované úrovně napětí a současně zajišťuje optimální nabíjení baterií. Konvenční řešení užívaná k řízení spotřeby energie vyžadují řadu součástek, jako je regulátor napětí, nabíjecí IC, indikátor stavu nabití, externí watchdog a tvrdý reset, které ubírají značnou část PCB. V následujícím textu firma Rutronik ukazuje, jak vše navrhnout jinak s využitím řešení od Nordic Semiconductor.
Inteligentní řízení napájení na ploše jen 5 x 5 mm QFN32 nebo 3,1 x 2,4 mm WLCSP nabízí IoT vývojářům řešení jak energetické účinnosti, tak i otázky spojené s dostupným prostorem. Obvod nPM1300, coby nejnovější přírůstek do rodiny Power Management IC (PMIC), zjednodušuje návrh systému tím, že klíčové funkce jsou již integrovány v jednom IC.
Varovné funkce pro zajištění stabilní činnosti
Jestliže dojde k výpadku napájení, může se stát, že po jeho obnovení aplikace nenaběhne korektně. PMIC čeká, dokud host procesor nezačne signalizovat, že je vše v pořádku. Jestliže však tato zpráva nepřijde ve stanoveném intervalu, vypne všechny připojené součástky a spustí další pokus o zapnutí.
Někdy může být zase nutné nuceně vypnout zařízení – třeba když se zacyklí a nedokáže se z takového stavu samo dostat ven. Nordic pro zmíněné případy pamatuje na tvrdý reset pomocí jednoho nebo dvou tlačítek připojených přímo na piny PMICu. Lze tak výrazně zmenšit zastavěnou plochu a ještě přitom zlepšit možnosti snadného ovládání.
Další monitorovací funkci přináší watchdog timer. Pokud při nabíjení baterie dojde k selhání softwaru, odešle se impuls do host procesoru, aby se nabíjení zastavilo. Zabrání se tak poškození baterií, ale i zbytečné spotřebě energie. Funkci lze obdobně využít k resetování host procesoru a vypnutí celého systému, pokud uplynul určitý čas.
Baterie, jejichž stupeň nabití klesl na spodní dvoucifernou procentuální hodnotu, nebo nechtěně vytažená síťová zástrčka – to jsou typické situace, ve kterých se uplatní další výstražná funkce. Varování v případě poruchy napájení dokáže díky přímému spojení informovat host procesor, že má k dispozici jen energii uloženou v záložním kondenzátoru. Ten pak následně může provést příslušná opatření, jako je třeba spuštění režimu s mimořádnou úsporou energie.
Díky hibernačnímu módu dokáže obvod PMIC uvést do stavu s extrémní úsporou energie také sám sebe. Napájeny proto budou jen ty nejdůležitější bloky PMIC. Opustit zmíněný režim lze buď prostřednictvím funkce časovače (s odběrem proudu jen pár nanoampér), nebo na základě stisku tlačítka.
Přesné měření úrovně nabití
Další přednost obvodů nPM1300 spočívá v precizním stanovení množství dostupné energie (fuel gauge), které bude rovněž k dispozici bez potřeby dodatečných vnějších součástek. Systém dosahuje přesnosti coulomb counteru za použití jednoduchého a úsporného měření napětí baterie. Zatímco posledně jmenované mívá při výpočtu napětí chybovost skoro dvacet procent, s obvodem nPM1300 to bude činit pouze jedno až max. dvě procenta. Obvody PMIC jsou stabilní pro provozní teploty od -40 °C až do +85 °C. V testovacím prostředí s výrazným kolísáním teplot se budou podstatně měnit i výsledky měření spojené se stavem nabití. A tak zatímco při tradičním měření napětí baterie chybovost šplhá až k 30 procentům, v případě prvků nPM1300 to jsou jen čtyři procenta. Přesné výsledky měření jsou zásadní pro spolehlivost IoT zařízení. Nesmí být výrazně ovlivněny změnami okolní teploty.
Přesné stanovení úrovně nabití baterie napříč širokým rozsahem teplot je zajištěno softwarem vyvinutým společností Nordic, který běží na host procesoru, jako je Arm-Cortex M33 použitý v případě řady nRF53. Efektivní algoritmus vyhodnocuje informace jako vstupní a výstupní proud obvodu PMIC, výstup napěťového děliče pro monitorování napětí na vývodech baterie a výstupu z termistoru měřícího teplotu článků baterie.
Aby algoritmus poskytoval přesné výsledky, je nejprve nutné vytvořit model charakteristik baterie pomocí vývojové desky PM-FG, která poskytne přiměřenou odporovou zátěž. Proces měření charakteristik baterie se opakuje celkem třikrát při různých teplotách a výsledný model je následně exportován do aplikačního SW. V případě zachování stejného typu baterie je tento učicí postup vyžadován pouze jednou.
S důrazem na efektivitu a přívětivost pro vývojáře
Obvod nPM1300 byl navržen, aby
- zajistil vysoce efektivní regulaci napájení pro obvody firmy Nordic řady nRF52® a nRF53®, stejně jako pokročilé multiprotokolové SoC (Systems-on-Chip) nRF54H20, které podporují protokoly bezdrátové komunikace, jakými jsou Bluetooth Low Energy, LE Audio, Bluetooth Mesh, Thread a Zigbee,
- řešil nabíjení baterie v aplikacích založených na SiP (System-in-Package) řady nRF91 pro mobilní systémy IoT.
Obvody PMIC jsou samozřejmě také použitelné pro součástky od jiných výrobců. Jedná se o ideální řešení pro kompaktní moderní produkty ze světa IoT, jako jsou třeba vyspělá nositelná elektronika, chytrá měřicí zařízení, sledovací zařízení nebo přenosné aplikace používané v medicíně. PMIC nPM1300 zde zjednodušuje vývoj systému tím, že integruje základní funkce nezbytné pro zařízení s Bluetooth Low Energy do malého pouzdra, umožňuje dosahovat delší provozní doby, včetně efektivního nabíjení baterie s menším počtem součástek.
To, že vývojáři pracují pouze s jedinou součástkou, zjednodušuje interakci a konfiguraci PMICu. IC lze konfigurovat přes jednoduché rozhraní. S využitím vývojového kitu nPM1300 EK lze jednoduše ověřit a vyhodnotit nastavení nPM1300 bez potřeby programování. Veškerá nastavení nPM1300 lze přitom přizpůsobit v přidružené aplikaci nPM PowerUP (k dispozici v nRF Connect for Desktop) s intuitivním uživatelským rozhraním a exportovat jako kód, který je možné implementovat do uživatelské aplikace.
Přehled nejdůležitějších funkcí
Rychlý výčet ostatních funkcí
