原创 【Nordic nPM1300 EK评估套件】+功能性/可靠性/环境适应性测试

【Nordic nPM1300 EK评估套件】+功能性/可靠性/环境适应性测试

本测评方案旨在对新到的nPM1300电源管理芯片的评估套件进行全面的性能和功能测试。该套件集成了多种功能芯片，包括充电管理芯片、BUCK降压芯片、负载开关芯片、电量计芯片、看门狗芯片以及硬件复位芯片。通过本次测评，将验证其各项性能指标是否满足设计要求。以下文档分为产品概述、开发环境配置、初运行、升级应用、体验和建议、其他六个部分。测评项目主要分为功能性测试、性能测试、可靠性测试和环境适应性测试四大类。

1. 产品概述

1.1 申请由来

5月初在面包板社区申请基于Nordic最新出品的nPM1300电源管理芯片的评估套件。传统高的电源管理是升降压、电源监控、POR复位、充放电管理等功能分立芯片的组合，但nPM1300首次将以前的分立功能集成到一颗芯片上，达到一颗顶过去八颗的效果（集成了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）。价值498RMB。

因顺丰没即时配送，也没通知（差评），晚了好多天才收到。到手电路：

1.2 nPM1300简介

Nordic Semiconductor nPM1300 PMIC 在2023年12月进入量产阶段。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。nPM1300 评测套件（Evaluation Kit，EK）可对 nPM1300 电源管理 IC（PMIC）进行简单评测和无代码配置。通过连接 nRF Connect for Desktop 中的 nPMPowerUP 应用，可以通过直观的 GUI 轻松配置 nPM1300 所有设置，并作为代码导出，在 MCU 应用中实施。

这款套件本身具有 JST 电池连接器，用于带或不带内部 NTC 之电池，以及用于接入所有 nPM1300 连接的公引脚头。此外，这款套件带有三个 LED 和四个按钮，能够简单地评测 PMIC 器件的 GPIO 和 LED 驱动器。

nPM1300主要优势：

• 使用 nPM PowerUP 桌面应用程序实现无缝集成和无代码配置
• 使用公引脚头来接入全部 nPM1300 PMIC 连接，轻易连接到外部测试设备
• 集成 LED 和按钮，可评测 PMIC 内置 LED 驱动器和 GPIO

nPM1300主要特点：

• 连接 nPM1300 PMIC 上所有引脚的公引脚头，以及电池连接器
• 用于电源和数据通信的 USB-C
• 三个 LED 和四个按钮
• nPM1300 - 具有先进系统管理功能的高效 PMIC

• 两个高效降压稳压器

• 支持高达 800mA 充电电流的电池充电器

• 兼容 USB-C

• 配合 nRF SoC 的精确电能计量

• 单或双按钮硬复位功能

• 看门狗和启动定时器

• 运输和休眠模式 (Ship- and hibernate mode)

• 工作温度范围为 -40° C 至 85° C

• 易于使用的 QFN 或小型 WLCSP 封装

• 通过 nPM PowerUP 桌面软件进行无缝配置

nPM1300常见应用场景如：

• 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

1.3 硬件资源

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。产品文档见：https://docs.nordicsemi.com/bundle/ug_npm1300_ek/page/UG/nPM1300_EK/intro.html

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 PMIC具体硬件及参数：

• 800毫安电池充电器
• 两个 200 mA 降压稳压器
• 两个 100 mA 负载开关/50 mA LDO
• 两键硬重置
• 油表
• 系统级看门狗和失败启动恢复
• 智能断电预警
• 五个 GPIO
• 三个 LED 驱动器
• 使用内部集成电路 (I2C) 兼容的 TWI 进行控制
• USB-C 兼容

从官方提供的数据手册可以看到芯片内部结构：

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，非常高效。其强大高效之处在于——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。

1. 开发环境配置

官网很详细，我就不粘了。包括硬件和软件。

https://docs.nordicsemi.com/bundle/ug_npm1300_ek/page/UG/nPM1300_EK/connect_ek.html

nPM1300 评估套件(EK)提供三个不同的开发级别，从简单评估到完整实施。

有以下开发方案可供选择：

• 无需编写任何代码或执行任何设备编程即可评估nPM1300 电源管理集成电路 (PMIC)
• 使用 EK 与 Nordic开发套件 (DK)来评估 PMIC 或开发您自己的nPM1300应用程序
• 使用 EK 和您自己的定制硬件来评估 PMIC 或开发您自己的片上系统 (SoC)应用程序

本文测评也按上述方案从简到繁逐步实施。

下面只写重点~

1. 初运行

本测评方案旨在对新到的集成电源管理电路板进行全面的性能和功能测试。该电路板集成了多种功能芯片，包括充电管理芯片、BUCK降压芯片、负载开关芯片、电量计芯片、看门狗芯片以及硬件复位芯片。通过本次测评，将验证其各项性能指标是否满足设计要求。

3.1 测评准备

3.1.1 设备与工具

所需材料

1. Nordic NPMI300-EK开发板
2. 2根TpyeC-USB线（用于供电和数据传输）
3. 电池（可选，用于电池管理功能测试）
4. 多根杜邦线（用于连接外部设备）
5. 电阻或LED（用于测试输出）

连接步骤

1. USB供电：
   • 使用USB线将开发板连接到电脑或USB适配器，为板子供电。
   • 确保VBus In端口已正确连接。
2. 电池连接（可选）：
   • 将电池连接到Battery端口，用于测试电池充电管理功能。
   • 注意极性，确保正负极连接正确。
3. LED测试：
   • 使用杜邦线将LED连接到板上的LED端口，观察LED的亮灭情况。
   • 可通过配置来控制LED的闪烁模式。
4. GPIO使用：
   • 将电阻或其他负载连接到GPIO端口，测试输入输出功能。
   • 使用TWI接口与其他设备通信（需编程）。

3.1.2 文档与资料

详见官网。

https://docs.nordicsemi.com/bundle/ug_npm1300_ek/page/UG/nPM1300_EK/connect_ek.html

3.2 使用 nPM PowerUP 评估 nPM1300

3.2.1 nPM1300EK与电脑的连接

nPM1300 EK提供连接，可通过nRF Connect for Desktop中提供的 nPM PowerUP 计算机应用程序轻松配置和评估nPM1300 PMIC。本机配置64位操作系统Windows11， 机带RAM16.0GB。下载版本为5.0.0，198MB。

nRF Connect for Desktop 是一个跨平台的工具框架，适用于Windows、Linux 和 macOS，用于协助在 nRF 设备上进行开发。它包含许多应用程序，可用于测试、监控、测量、优化和编程您的应用程序。nRF Connect for Desktop 旨在与开发套件和加密狗配合使用。这些应用程序将检测连接到计算机的套件并上传所需的固件。每个应用程序支持的套件均列在文档中。

安装：https://docs.nordicsemi.com/bundle/nrf-connect-desktop/page/installing_apps.html

软硬件支持：https://docs.nordicsemi.com/bundle/nrf-connect-desktop/page/os_support.html

安装同时会装Jlink驱动。

更新电路板驱动，更新过程中不断响起连接和断开的提示音，设备选择项中出现npm1300EK信息，软件中链接状态也从offline mode改为connected。

但我这里的问题在于，usb-typec线不是专用信号线，可能因此导致pmic一直快速闪烁，换了根线后解决。

原因： nPM1300不可以独立使用，需要MCU主机通过I2C接口进行配置和控制，官方推荐的典型应用是配合nRF52 和 nRF53 系列SoC来使用，也可以在其他非Nordic芯片上使用。

解决后重启，connet连接状态显示，因为没有接电池：

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

目前软件中的模型最大支持1350mAh的，再大容量的基本就测不了。

测评项目主要分为功能性测试、性能测试、可靠性测试和环境适应性测试四大类。

3.2.2 功能性测试

 充电管理芯片测试

使用锂电池，正极接VBAT，负极接GND，连接电池后的软件界面变化

图片里面的电池连接线我转接了一下，红色线和蓝色线相连接到VBAT，黑色线和白色线相连接到GND

Connect显示：

同时有更详细的充电设备管理设置：

• 测试充电管理芯片的输入电压范围、充电电流和电压设置
• 测试充电过程中的效率和热表现
• 测试电池充满后的自动切断功能

 BUCK降压芯片测试

• 测试输入电压范围和输出电压稳定性
• 测试负载调整率和线性调整率
• 测试转换效率

3.2.3 性能测试

 电源噪声和纹波

• 测试电源输出的噪声和纹波
• 测试在不同负载条件下的纹波和噪声水平

 温度性能

• 测试在不同工作温度下的电源性能
• 测试温升和散热能力

温度和噪声 性能下，输出电压相对稳定在4.2V。本想用万用表测，但没电了，就用了旁边的旧仪器测了一下，一直恒定在5V。。。一起太久了a

3.2.4 可靠性测试

 长时间运行测试

• 在满载和不同负载条件下进行长时间连续运行测试
• 记录温度、效率和稳定性

 异常状况测试

• 无模拟输入电压异常、负载突变等情况，测试电源管理芯片具有保护功能和恢复能力

3.2.5 环境适应性测试

 高低温测试

• 测试在极限高温和低温环境下的性能表现
• 测试温度循环对电源管理芯片的影响

 抗干扰测试

• 测试电源管理芯片在电磁干扰和射频干扰下的性能表现

1. 升级应用

与以前开发的一个测量生命体征的小板子（心率血氧血压等参数，未接传感器，仅测试电压电流稳定性能）。

之前一直因为体征检测板电源模块设计的不太合理，总是因为外接传感器数量变化而波动，这次测试通过nPM1300EK稳定电源电压电流，测试了室内温度在38度和26度下电源电压电流，在原采集单位0.2ms下稳定性较无nPM1300EK精度提高2.75%。

还有一个智能家居的板子，没来得及和Nordic nPM1300EK一起测试。等有时间了一起测试下，会不会使联网性能和采集精度准度更好更稳定。

1. 体验和建议

优点：上手简单，文档详尽，管理方便，模块可视化选项多，可视化平台管理细节丰富；

缺点：但仍有一些地方卡住。比如I2C的设置，typeC-USB线的替换，比如群里有些朋友升级驱动时遇到问题（我没遇到安装很顺利）。建议提供更详尽的使用注意事项，快速避雷。另建议附带更多操作示例。

感谢Nordic提供的 nPM1300 EK电源管理套件。感谢面包板社区提供试用机会。