備電源管理實(shí)戰(zhàn))
在可穿戴設(shè)備和便攜醫(yī)療設(shè)備的開(kāi)發(fā)里電源管理永遠(yuǎn)是最容易翻車(chē)的一環(huán)。電池只有那么幾百毫安時(shí)板子上卻要同時(shí)喂主控、射頻SoC、傳感器和一塊小屏各路負(fù)載各要各的電壓有的還要在運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)壓。我最近一套便攜健康監(jiān)測(cè)類(lèi)的原型產(chǎn)品把核心供電方案改成了“PCA9422 這顆低功耗 PMIC STM32F411RE 做主控”整個(gè)電源系統(tǒng)才從“裸奔的模擬電路”變成了“軟件可配置的數(shù)字電源”。這篇文章就是這段時(shí)間做這套方案的完整記錄從選型思路、電源樹(shù)設(shè)計(jì)、I2C驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)調(diào)壓、充電管理到調(diào)試踩坑能直接把思路和代碼框架抄到自己的板子上。適合正在做電池供電產(chǎn)品、或者想把一堆分立電源芯片整合成一顆可控PMIC的硬件和嵌入式開(kāi)發(fā)者。1. 這套電源方案的項(xiàng)目背景與思路拆解做之前我先把需求攤開(kāi)看了一遍。這個(gè)設(shè)備是單節(jié)鋰聚合物電池供電標(biāo)稱3.7V滿電4.2V放完大概3.0V。系統(tǒng)里需要四路電源域主控和屏幕用的3.3V傳感器和存儲(chǔ)用的1.8V射頻SoC內(nèi)核的一路DVS可調(diào)電壓還有一路低噪聲電源給模擬前端。同時(shí)還要管理USB充電、電池電量監(jiān)測(cè)、睡眠狀態(tài)下的斷電和低功耗切換。這套需求如果按老辦法做板子上至少得有兩顆DCDC、三顆LDO、一顆充電IC再加上一堆反饋電阻和使能邏輯面積和調(diào)試成本都不小。動(dòng)態(tài)調(diào)壓更是麻煩分離方案要做DVS基本得靠額外的DAC或者數(shù)字電位器去調(diào)反饋網(wǎng)絡(luò)光想到這我就頭大。換成集成PMIC的思路之后多路降壓、LDO、充電子模塊都塞進(jìn)一顆PCA9422主控通過(guò)I2C讀寫(xiě)幾個(gè)寄存器就能完成電壓配置、模式和狀態(tài)讀取本質(zhì)上把供電系統(tǒng)當(dāng)成一個(gè)外設(shè)來(lái)操作復(fù)雜度完全不是一個(gè)量級(jí)。1.1 可穿戴設(shè)備的電源需求到底難在哪先說(shuō)電壓軌多。一塊板子上同時(shí)存在3.3V的數(shù)字域、1.8V的接口域、1.2V左右的SoC內(nèi)核域、還有傳感器需要的低噪聲模擬電源每一路的負(fù)載特性還都不一樣。降壓芯片選型的時(shí)候要考慮輸入電壓范圍是否覆蓋電池電壓波動(dòng)輸出電流是否留夠裕量負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)能不能扛住射頻發(fā)射時(shí)的大電流抽水。再說(shuō)負(fù)載變化快。射頻SoC在傳輸時(shí)電流可能瞬間拉高傳感器啟動(dòng)瞬間也有一波浪涌。如果電源芯片沒(méi)有良好的瞬態(tài)響應(yīng)電壓就會(huì)跌到負(fù)載的最低工作門(mén)限以下直接導(dǎo)致復(fù)位或者數(shù)據(jù)損壞。而低功耗模式下又希望電源系統(tǒng)本身消耗盡量少最好能進(jìn)入PFM或脈沖跳躍模式讓靜態(tài)電流降到幾十微安這個(gè)級(jí)別。還有充電和供電同時(shí)存在的場(chǎng)景。插入U(xiǎn)SB充電器之后系統(tǒng)要能一邊跑應(yīng)用一邊給電池充電充電完成要及時(shí)停止過(guò)壓過(guò)流要有保護(hù)。這些邏輯用分離器件做保護(hù)電路和邏輯電路累加起來(lái)很占PCB面積而且每一版改需求都要重新調(diào)硬件。1.2 方案選型為什么用集成PMIC加主控MCU把供電需求整理完我基本上就確定要往集成PMIC方向走了。一顆PCA9422把電池充放電管理、多路降壓輸出、LDO和內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測(cè)整合在一起外部只需要少量電感電容就能工作。它和主控之間走I2C軟件里一個(gè)寄存器就能配置某一路的輸出電壓甚至能在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)修改電壓這是分離方案很難做到的。這時(shí)候有朋友會(huì)問(wèn)STM32F411RE 本身不就有很多低功耗模式嗎為什么還需要一顆PMIC來(lái)配合要分清MCU的低功耗模式和系統(tǒng)級(jí)的電源管理是兩碼事。STM32可以做的是控制自身進(jìn)入Sleep、Stop甚至Standby模式但它管不了板上其他負(fù)載的電源域。射頻SoC想睡、傳感器想斷電、模擬前端需要單獨(dú)調(diào)電壓這些都得靠PMIC去切。主控和PMIC一個(gè)負(fù)責(zé)“腦子清醒地做決策”一個(gè)負(fù)責(zé)“手里的閘刀和變壓器聽(tīng)指揮”角色非常清楚。1.3 系統(tǒng)功能劃分我還把這套方案里的職責(zé)劃分成四個(gè)部分。首先是功率變換部分PCA9422負(fù)責(zé)把電池電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的各種電壓軌。其次是與主控交互部分STM32F411RE通過(guò)I2C總線讀寫(xiě)PCA9422內(nèi)部的寄存器配置輸出電壓、充電電流和輕負(fù)載模式。第三是狀態(tài)感知部分通過(guò)PMIC內(nèi)部的ADC或者外部分壓電路把電池電壓、充電電流、故障狀態(tài)這些信息采集回來(lái)。最后是策略執(zhí)行部分主控根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行工況決定是否調(diào)低某路電壓、是否關(guān)閉某路輸出、是否啟動(dòng)充電中斷這些都是純軟件邏輯。2. 硬件設(shè)計(jì)與電源樹(shù)搭建硬件是整個(gè)電源方案的地基軟件調(diào)得再好電源樹(shù)設(shè)計(jì)不對(duì)也是白搭。我在這部分把電源樹(shù)架構(gòu)、PCA9422的關(guān)鍵模塊、STM32F411RE的角色以及PCB布局的注意點(diǎn)都過(guò)一遍。2.1 整體電源樹(shù)設(shè)計(jì)我這套板子的電源樹(shù)大概是下面這個(gè)結(jié)構(gòu)。電池正極直接進(jìn)PCA9422的輸入腳USB充電檢測(cè)也走PMIC的輸入側(cè)。輸出側(cè)安排如下VOUT1做3.3V主電源供給STM32F411RE和屏幕這一路負(fù)載電流最大放在第一路VOUT2做1.8V給傳感器和存儲(chǔ)芯片VOUT3做DVS可調(diào)電壓給我的射頻SoC內(nèi)核范圍設(shè)在1.0V到1.3V之間LDO輸出一路1.8V低噪聲電源專(zhuān)門(mén)給模擬前端避免開(kāi)關(guān)噪聲耦合進(jìn)測(cè)量通路。還有一路備份電源域用LDO降壓后接STM32的VBAT保證主電源斷開(kāi)時(shí)RTC和備份寄存器還能工作。做電源樹(shù)的時(shí)候有個(gè)小原則就是把負(fù)載分類(lèi)數(shù)字核心、接口電平、模擬低噪聲、備份電源每一類(lèi)單獨(dú)走一軌不混用。這樣好處是調(diào)試隔離非常方便某一域出問(wèn)題不會(huì)拖垮整個(gè)系統(tǒng)。比如模擬前端如果和數(shù)字接口共用一路電源傳感器數(shù)據(jù)里經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)周期性毛刺排查起來(lái)很痛苦。2.2 PCA9422核心模塊分析PCA9422這顆PMIC的總體架構(gòu)我分成三個(gè)部分來(lái)看。輸入側(cè)是電池充電管理模塊支持從USB適配器取電給電池充電同時(shí)具備路徑管理能力也就是插著充電器的時(shí)候系統(tǒng)由適配器供電電池多余的電再充進(jìn)去而不是系統(tǒng)直接吃電池的電流。這個(gè)功能對(duì)手環(huán)這類(lèi)設(shè)備太重要了很多分離方案都沒(méi)做到這個(gè)級(jí)別系統(tǒng)經(jīng)常一邊插著電充電一邊還能看著電量往下掉就是因?yàn)闆](méi)有電源路徑管理。中間部分是降壓轉(zhuǎn)換器和LDO陣列。多路BUCK都由內(nèi)部的高精度基準(zhǔn)控制輸出電壓通過(guò)I2C寄存器配置部分通道支持DVS動(dòng)態(tài)調(diào)壓。輕載時(shí)PMIC自動(dòng)進(jìn)入低靜態(tài)電流模式這正好配合我整機(jī)睡眠的場(chǎng)景。另外還有一路固定的LDO輸出低噪聲電壓給模擬負(fù)載。最后一部分是控制和監(jiān)測(cè)邏輯。I2C接口、中斷輸出、狀態(tài)寄存器、ADC監(jiān)測(cè)都在這里。主控可以通過(guò)狀態(tài)寄存器讀到充電狀態(tài)、電源故障標(biāo)志、以及內(nèi)部ADC采樣到的電池電壓和溫度數(shù)據(jù)。2.3 STM32F411RE在系統(tǒng)里的職責(zé)STM32F411RE 是一顆Cortex-M4F內(nèi)核的MCU主頻最高100MHz512KB Flash和128KB SRAM在需要一定算力的便攜設(shè)備里性能完全夠用。它在這個(gè)系統(tǒng)里既是應(yīng)用主控又是電源管理控制器。Flash、RAM、外設(shè)資源都比較寬裕跑一個(gè)輕量級(jí)RTOS都沒(méi)問(wèn)題電源管理狀態(tài)機(jī)可以作為一個(gè)獨(dú)立任務(wù)來(lái)運(yùn)行。選這顆芯片還有一個(gè)理由是它的外設(shè)豐富I2C、SPI、UART、ADC、DMA都有后續(xù)如果要接外部傳感器、屏幕、無(wú)線模塊甚至做OTA升級(jí)都不需要再換更高端的平臺(tái)。休眠電流雖然比不上專(zhuān)門(mén)的低功耗系列但在整機(jī)睡眠策略里真正決定續(xù)航的是PMIC的靜態(tài)電流和整個(gè)系統(tǒng)的斷電管理而不是MCU單體休眠電流能壓到多低。2.4 原理圖與PCB布局要點(diǎn)畫(huà)原理圖的時(shí)候PCA9422周邊的電感電容選型直接影響性能。BUCK的電感一般根據(jù)手冊(cè)推薦值選我習(xí)慣選飽和電流比最大負(fù)載大30%以上的規(guī)格避免瞬態(tài)大電流時(shí)電感飽和造成電壓紋波激增。輸入輸出電容至少選10uF的X5R或X7R陶瓷電容并且要放在芯片引腳的同一層、盡可能靠近引腳環(huán)路面積越小越好。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)是輻射源底層直接鋪地不要走細(xì)線。I2C總線的上拉電阻我用4.7k400kHz快速模式穩(wěn)得很。STM32F411RE的I2C引腳在板子一端PCA9422在另一端走線盡量短并且保證兩根線的長(zhǎng)度差不多減少信號(hào)偏斜。PMIC的使能和中斷引腳接到主控的GPIO上不能用固定電平代替否則軟件沒(méi)法做時(shí)序控制和事件響應(yīng)。PCB布局的時(shí)候我習(xí)慣把PMIC周?chē)纬梢粋€(gè)小禁區(qū)其他信號(hào)線不穿進(jìn)去。功率地單獨(dú)鋪一片然后和數(shù)字地單點(diǎn)連接。這樣既避免了大電流在地平面上造成的噪聲干擾傳感器模擬信號(hào)也給調(diào)試留了清晰的測(cè)量點(diǎn)。實(shí)測(cè)下來(lái)認(rèn)真處理地平面和去耦之后模擬前端數(shù)據(jù)的峰峰值明顯干凈了很多。3. 軟件框架與核心代碼實(shí)現(xiàn)硬件裝好之后真正花時(shí)間的是軟件。我這套軟件用的STM32 HAL庫(kù)環(huán)境是CubeMX初始化好I2C和GPIO之后自己寫(xiě)PMIC驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用層狀態(tài)機(jī)。3.1 I2C驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)PCA9422和主控之間就是普通的I2C從機(jī)通信帶寄存器地址。HAL庫(kù)里直接用Mem_Write和Mem_Read就能處理這種帶片內(nèi)地址的器件。初始化代碼沒(méi)有什么特別就是CubeMX配置I2C1為主模式速率400kHz時(shí)鐘源和引腳分配的細(xì)節(jié)不展開(kāi)了。有一點(diǎn)要注意PMIC屬于對(duì)實(shí)時(shí)性有一定要求的器件比如充電中斷和故障信號(hào)如果I2C總線上掛了多個(gè)設(shè)備每個(gè)讀操作都要做超時(shí)容錯(cuò)。我的做法是每次讀寫(xiě)后檢查HAL函數(shù)的返回值失敗就復(fù)位一下I2C總線狀態(tài)并重新嘗試三次防止總線鎖死把整個(gè)電源管理策略卡住。uint8_t pmic_read_reg(uint8_t reg, uint8_t *buf, uint16_t len) { HAL_StatusTypeDef status; for (uint8_t retry 0; retry 3; retry) { status HAL_I2C_Mem_Read(hi2c1, PMIC_I2C_ADDR 1, reg, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buf, len, 100); if (status HAL_OK) { return 0; } HAL_I2C_DeInit(hi2c1); MX_I2C1_Init(); } return 1; } uint8_t pmic_write_reg(uint8_t reg, uint8_t *buf, uint16_t len) { HAL_StatusTypeDef status; for (uint8_t retry 0; retry 3; retry) { status HAL_I2C_Mem_Write(hi2c1, PMIC_I2C_ADDR 1, reg, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buf, len, 100); if (status HAL_OK) { return 0; } HAL_I2C_DeInit(hi2c1); MX_I2C1_Init(); } return 1; }這里的PMIC_I2C_ADDR要根據(jù)硬件原理圖上的地址引腳確認(rèn)默認(rèn)值我這邊是0x60附近。有的板子從機(jī)地址可能不同最省事的辦法是上電后用I2C地址掃描把0x08到0x77都掃一遍看哪個(gè)地址有應(yīng)答避免對(duì)著手冊(cè)猜。3.2 PMIC寄存器抽象與初始化不同批次和尾綴的PCA9422寄存器定義可能不完全一致我在實(shí)際項(xiàng)目里每次都會(huì)打開(kāi)對(duì)應(yīng)批次的數(shù)據(jù)手冊(cè)把寄存器地址和位定義對(duì)著改一遍。我的做法是在驅(qū)動(dòng)文件頂部把所有寄存器定義集中成宏初始化的時(shí)候統(tǒng)一填寫(xiě)配置表這樣后面要調(diào)整電壓檔位或者修改充電電流只需要改表里的數(shù)值不用翻一堆代碼。#define PMIC_REG_MAIN_OUT1 0x10 #define PMIC_REG_MAIN_OUT2 0x11 #define PMIC_REG_MAIN_OUT3 0x12 #define PMIC_REG_LDO1 0x13 #define PMIC_REG_CHG_CTRL 0x14 #define PMIC_REG_CHG_STATUS 0x15 #define PMIC_REG_SYS_STATUS 0x16 #define PMIC_REG_DVS_CTRL 0x17 #define PMIC_REG_ADC_RESULT 0x18 #define PMIC_REG_INT_FLAG 0x19以上地址是我手上這顆樣片的定義僅作為代碼示例實(shí)際以手冊(cè)為準(zhǔn)。初始化的時(shí)候我會(huì)先把所有輸出通道配置成預(yù)設(shè)電壓然后使能需要的中斷源最后把整機(jī)電源狀態(tài)機(jī)切到正常運(yùn)行模式。配置表放在常量數(shù)組里每一行是寄存器地址和寫(xiě)入值初始化時(shí)循環(huán)讀寫(xiě)一遍并且讀回來(lái)校驗(yàn)如果校驗(yàn)不通過(guò)就點(diǎn)亮板子上的故障LED。typedef struct { uint8_t reg; uint8_t val; } pmic_cfg_item_t; const pmic_cfg_item_t pmic_init_cfg[] { { PMIC_REG_MAIN_OUT1, 0x30 }, /* 3.3V按手冊(cè)映射 */ { PMIC_REG_MAIN_OUT2, 0x20 }, /* 1.8V */ { PMIC_REG_MAIN_OUT3, 0x10 }, /* 1.2VDVS起點(diǎn) */ { PMIC_REG_LDO1, 0x20 }, /* 1.8V模擬電源 */ { PMIC_REG_CHG_CTRL, 0x11 }, /* 充電使能電流檔位 */ }; void pmic_init(void) { uint8_t val 0; uint32_t items sizeof(pmic_init_cfg) / sizeof(pmic_init_cfg[0]); for (uint32_t i 0; i items; i) { if (pmic_write_reg(pmic_init_cfg[i].reg, (uint8_t *)pmic_init_cfg[i].val, 1) ! 0) { error_handler(); } if (pmic_read_reg(pmic_init_cfg[i].reg, val, 1) ! 0) { error_handler(); } if (val ! pmic_init_cfg[i].val) { error_handler(); } } }3.3 DVS動(dòng)態(tài)調(diào)壓實(shí)現(xiàn)DVS是這個(gè)方案里最有意思的部分。傳統(tǒng)的調(diào)壓是硬件工程師對(duì)著電位器和電阻網(wǎng)絡(luò)一遍遍調(diào)試現(xiàn)在則是軟件里寫(xiě)個(gè)函數(shù)把目標(biāo)電壓值編碼后寫(xiě)進(jìn)寄存器輸出就變了。我這邊射頻SoC內(nèi)核電壓有兩個(gè)檔位運(yùn)行模式1.25V低功耗模式1.0V切換時(shí)不能像斷電一樣突然跳變否則可能觸發(fā)負(fù)載側(cè)的上電欠壓復(fù)位。我的實(shí)現(xiàn)步驟是先讓射頻SoC進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)暫停射頻收發(fā)然后往DVS控制寄存器寫(xiě)入目標(biāo)電壓對(duì)應(yīng)的編碼輪詢狀態(tài)寄存器確認(rèn)切換完成最后讓SoC恢復(fù)正常工作。切換過(guò)程中禁止其他線程操作PMIC防止寄存器寫(xiě)入被穿插導(dǎo)致電壓配置錯(cuò)亂。void pmic_set_dvs_voltage(uint8_t target_vout) { uint8_t val 0; /* 1. 通知負(fù)載進(jìn)入電壓切換安全窗口 */ app_radio_suspend(); /* 2. 寫(xiě)入目標(biāo)電壓 */ pmic_write_reg(PMIC_REG_DVS_CTRL, target_vout, 1); /* 3. 等待PMIC狀態(tài)位更新超時(shí)則告警 */ uint32_t timeout 1000; do { pmic_read_reg(PMIC_REG_SYS_STATUS, val, 1); timeout--; } while (!(val 0x01) timeout); if (timeout 0) { power_fault_handler(); } /* 4. 恢復(fù)負(fù)載運(yùn)行 */ app_radio_resume(); }實(shí)際跑了之后我發(fā)現(xiàn)電壓切換如果太快負(fù)載端大的去耦電容會(huì)被瞬間“吸”住PMIC的輸出電壓紋波會(huì)比較難看。所以我在調(diào)試階段把DVS切換分成兩段第一次先切到中間檔穩(wěn)定200us后再切到目標(biāo)檔。代價(jià)是切換時(shí)間變長(zhǎng)但對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性的提升非常明顯。3.4 充電與電池狀態(tài)管理充電管理這塊PCA9422負(fù)責(zé)實(shí)際的恒流恒壓充電控制主控負(fù)責(zé)策略。插入U(xiǎn)SB充電器后主控檢測(cè)到充電狀態(tài)位變化讀取PMIC的充電狀態(tài)寄存器然后把整機(jī)切到充電模式。在這個(gè)模式下屏幕會(huì)顯示充電百分比傳感器照常跑充電電流設(shè)為500mA檔位整機(jī)功耗和充電電流加在一起不要超過(guò)適配器的供電能力。電量監(jiān)測(cè)我用的是電壓查表法加電流積分修正。PMIC內(nèi)部ADC讀到的電池電壓經(jīng)過(guò)分壓換算成實(shí)際電壓值查開(kāi)路電壓曲線得到粗略SOC。然后根據(jù)充放電狀態(tài)用電流和時(shí)間做累積修正。這個(gè)方法精度不高勝在簡(jiǎn)單不需要額外的庫(kù)侖計(jì)芯片。如果產(chǎn)品對(duì)電量精度要求很高建議后續(xù)再加一顆專(zhuān)門(mén)的電池電量計(jì)。充電完成之后我會(huì)主動(dòng)把充電功能關(guān)掉避免浮充電壓一直掛著對(duì)電池壽命有影響。這其實(shí)是個(gè)細(xì)節(jié)很多方案電充滿了還在那邊小電流涓流溫度會(huì)慢慢升高。3.5 低功耗模式聯(lián)動(dòng)整機(jī)低功耗是我覺(jué)得這套方案最爽的地方。以前用分離方案MCU睡了板子上的LDO還在干耗電靜態(tài)電流怎么都?jí)翰幌聛?lái)?，F(xiàn)在主控進(jìn)Sleep之前先通過(guò)I2C把PCA9422的所有輸出通道切到輕載模式同時(shí)把DVS電壓軌從1.25V降到1.0V再關(guān)閉LDO輸出或者把LDO切到低功耗擋位最后才執(zhí)行WFI進(jìn)入睡眠。喚醒流程則是反過(guò)來(lái)外部按鍵或者傳感器中斷先喚醒主控主控從睡眠現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)跑第一段代碼第一時(shí)間通過(guò)I2C把PMIC各通道拉回正常運(yùn)行電壓再去點(diǎn)亮屏幕和啟動(dòng)射頻。整個(gè)切換過(guò)程大概幾個(gè)毫秒用戶可以感知到的是“一秒亮屏”但內(nèi)部其實(shí)經(jīng)歷了一次完整的電壓調(diào)度。測(cè)量下來(lái)整機(jī)靜態(tài)電流從我之前分離方案的1.2mA左右降到了幾十微安級(jí)別續(xù)航直接翻倍。4. 調(diào)試實(shí)錄常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧調(diào)試電源這塊我遇到過(guò)的問(wèn)題基本可以分成六種“通信不穩(wěn)”、“電壓不對(duì)”、“電流不低”、“切換翻車(chē)”、“充電過(guò)熱”和“狀態(tài)誤報(bào)”。每一個(gè)背后都有個(gè)血淚故事我直接整理成帶排查思路的速查列表。4.1 I2C通信時(shí)好時(shí)壞最典型的現(xiàn)象是PMIC偶爾讀寫(xiě)超時(shí)10次里有1次失敗或者在某些GPIO操作之后特別容易丟ACK。我排查下來(lái)一般原因就幾個(gè)I2C上拉電阻太大或太小導(dǎo)致上升沿不夠陡走線太長(zhǎng)繞過(guò)了板子中間的干擾源主控和PMIC的地電勢(shì)有微小差異導(dǎo)致高電平余量不足。解決思路比較直接先把上拉電阻換成2.2k再觀察把總線走線盡量縮短保證兩根線上不要有其他高頻信號(hào)緊貼著飛過(guò)去。另外強(qiáng)烈建議軟件里加總線恢復(fù)機(jī)制檢測(cè)到NACK之后先把SCL時(shí)鐘線上拉幾個(gè)周期讓可能處于半狀態(tài)的總線復(fù)位再重新初始化。4.2 輸出電壓開(kāi)機(jī)瞬間沖高有塊板子一上電萬(wàn)用表看到3.3V直接沖到3.9V然后慢慢掉回來(lái)。這個(gè)問(wèn)題的根子一般在啟動(dòng)順序和軟啟動(dòng)電容上。PMIC的每個(gè)輸出通道通常都有軟啟動(dòng)時(shí)間或者軟啟動(dòng)電容引腳如果軟啟動(dòng)太短負(fù)載端大電容會(huì)把瞬間充電電流拉得很大造成輸出過(guò)沖。我后來(lái)處理的辦法是加長(zhǎng)PMIC輸出通道的軟啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置同時(shí)把主控側(cè)的程序改成延遲使能外設(shè)開(kāi)機(jī)后先讓各路電壓穩(wěn)定幾十毫秒再初始化傳感器和外設(shè)。這樣既解決了過(guò)沖也順便避免了很多外設(shè)在上電瞬間被主控誤操作的問(wèn)題。4.3 靜態(tài)電流降不下來(lái)整機(jī)睡眠之后用萬(wàn)用表串在電池端電流還是居高不下。最開(kāi)始我以為是PMIC沒(méi)有進(jìn)入低功耗模式后來(lái)排查發(fā)現(xiàn)有幾路輸出通道被配置成強(qiáng)制PWM模式輕載時(shí)依然保持高頻開(kāi)關(guān)電流自然壓不下來(lái)。把所有輸出通道在睡眠前都改成PFM或輕載模式之后電流立刻降下來(lái)了。另外還有一個(gè)坑是PMIC內(nèi)部的ADC如果沒(méi)關(guān)或者把連續(xù)采樣使能位打開(kāi)了也會(huì)貢獻(xiàn)幾十微安的功耗睡眠前別忘了處理。我這段時(shí)間甚至養(yǎng)成了習(xí)慣每次睡眠前打印出所有寄存器當(dāng)前值確認(rèn)沒(méi)有漏配的位。4.4 DVS切換引發(fā)負(fù)載復(fù)位這個(gè)問(wèn)題的現(xiàn)象很詭異DVS降電壓的時(shí)候射頻SoC偶爾會(huì)復(fù)位而且不是每次都能復(fù)現(xiàn)。查到最后發(fā)現(xiàn)是負(fù)載端有一個(gè)1.8V上拉的復(fù)位引腳電壓切換過(guò)程中如果復(fù)位引腳的電平被拉低SoC就復(fù)位了。原因是負(fù)載電源域的時(shí)序和DVS切換時(shí)序之間沒(méi)有同步。我的解決方案是把DVS切換流程放在負(fù)載的特定狀態(tài)之后并且提前把復(fù)位引腳配置成強(qiáng)推挽輸出由主控直接控制等DVS穩(wěn)定之后再去恢復(fù)SoC的復(fù)位管理。這也讓我養(yǎng)成了一個(gè)習(xí)慣任何涉及動(dòng)態(tài)電壓切換的操作都要先檢查負(fù)載的復(fù)位、中斷、使能等控制引腳有沒(méi)有可能在電壓變化時(shí)被誤觸發(fā)。4.5 充電時(shí)殼體發(fā)熱明顯設(shè)備插著USB充電半小時(shí)之后觸摸外殼有點(diǎn)燙。用熱像儀看發(fā)熱元件發(fā)現(xiàn)集中在PCA9422附近的電池充電通路。排查下來(lái)是充電電流設(shè)置得比較大同時(shí)電池的內(nèi)阻在低溫環(huán)境下偏高充電路徑上消耗的功率都變成了熱量。解決辦法是加入溫控降流邏輯PMIC內(nèi)部溫度或電池溫度升高到閾值之后主控主動(dòng)把充電電流從500mA降到200mA溫度降下來(lái)再恢復(fù)。這本來(lái)是不起眼的軟件邏輯但對(duì)用戶體驗(yàn)影響非常大尤其是這種貼身佩戴的設(shè)備。4.6 常見(jiàn)問(wèn)題排查速查表現(xiàn)象可能原因排查方向解決建議I2C讀寫(xiě)超時(shí)上拉電阻不匹配波形上升沿/ACK電平換2.2k到4.7k縮短走線輸出過(guò)沖軟啟動(dòng)太快啟動(dòng)波形軟啟動(dòng)參數(shù)延長(zhǎng)軟啟動(dòng)延遲外設(shè)使能靜態(tài)電流偏高輸出被強(qiáng)制連續(xù)開(kāi)關(guān)睡眠前寄存器配置切PFM關(guān)ADC連續(xù)采樣DVS切換復(fù)位負(fù)載控制引腳被干擾示波器抓復(fù)位腳波形主控接管復(fù)位引腳控制切換時(shí)序充電發(fā)熱充電電流過(guò)大紅外測(cè)溫電池溫度溫度閉環(huán)自動(dòng)降流狀態(tài)誤報(bào)ADC分壓網(wǎng)絡(luò)噪聲檢查ADC參考和濾波電容加大采樣濾波時(shí)間軟件均值濾波5. 一些實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和擴(kuò)展想法最后分享幾條這輪做下來(lái)比較深的體會(huì)。第一PMIC不是接上I2C就能高枕無(wú)憂的每一顆芯片的寄存器定義都要以實(shí)際采購(gòu)的那一批手冊(cè)為準(zhǔn)。我一開(kāi)始直接抄了一份老代碼的寄存器表結(jié)果部分位定義對(duì)不上電壓怎么配都偏后來(lái)老老實(shí)實(shí)打開(kāi)手冊(cè)逐位核對(duì)才解決。吃這個(gè)虧之后我把所有寄存器定義集中管理并在代碼里加了一版設(shè)備ID校驗(yàn)上電先讀ID對(duì)不對(duì)不對(duì)就報(bào)警省了不少后續(xù)排查時(shí)間。第二電源管理的狀態(tài)機(jī)一定要集中起來(lái)寫(xiě)不要散落在各個(gè)業(yè)務(wù)代碼里。我的做法是在應(yīng)用層定義一個(gè)power_state_t枚舉包含POWER_ACTIVE、POWER_CHARGING、POWER_SLEEP、POWER_FAULT這幾個(gè)狀態(tài)所有的PMIC操作都統(tǒng)一走到一個(gè)電源管理任務(wù)里業(yè)務(wù)模塊通過(guò)接口請(qǐng)求狀態(tài)變更。這樣才不會(huì)出現(xiàn)屏幕模塊醒了、射頻模塊還睡著的混亂局面。第三調(diào)試電源問(wèn)題示波器要有耐心抓波形但現(xiàn)在很多PMIC都帶了內(nèi)部狀態(tài)寄存器和ADC優(yōu)先用軟件讀狀態(tài)能用寄存器定位就不急著上探頭。硬件問(wèn)題常常是軟件配置問(wèn)題的一層皮讀幾個(gè)狀態(tài)寄存器能少拆很多次板子。這套PCA9422和STM32F411RE的組合在便攜設(shè)備上很有代表性。主控把模擬的、不好調(diào)的、耗電的電源系統(tǒng)變成一個(gè)聽(tīng)話的數(shù)字外設(shè)這應(yīng)該是以后做電池產(chǎn)品的主線思路之一。如果你的產(chǎn)品也需要多電壓域管理、動(dòng)態(tài)調(diào)壓和充電管理不妨先把電源樹(shù)和狀態(tài)機(jī)梳理清楚再照著這個(gè)框架往自己的板子上移植。后面我還會(huì)繼續(xù)把這套設(shè)計(jì)擴(kuò)展成帶遠(yuǎn)程電量監(jiān)控和OTA電源策略調(diào)整的版本到時(shí)候再回來(lái)補(bǔ)充細(xì)節(jié)。 PCA9422 PMIC與STM32F411的便攜設(shè)備電源管理實(shí)戰(zhàn)
在可穿戴設(shè)備和便攜醫(yī)療設(shè)備的開(kāi)發(fā)里電源管理永遠(yuǎn)是最容易翻車(chē)的一環(huán)。電池只有那么幾百毫安時(shí)板子上卻要同時(shí)喂主控、射頻SoC、傳感器和一塊小屏各路負(fù)載各要各的電壓有的還要在運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)壓。我最近一套便攜健康監(jiān)測(cè)類(lèi)的原型產(chǎn)品把核心供電方案改成了“PCA9422 這顆低功耗 PMIC STM32F411RE 做主控”整個(gè)電源系統(tǒng)才從“裸奔的模擬電路”變成了“軟件可配置的數(shù)字電源”。這篇文章就是這段時(shí)間做這套方案的完整記錄從選型思路、電源樹(shù)設(shè)計(jì)、I2C驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)調(diào)壓、充電管理到調(diào)試踩坑能直接把思路和代碼框架抄到自己的板子上。適合正在做電池供電產(chǎn)品、或者想把一堆分立電源芯片整合成一顆可控PMIC的硬件和嵌入式開(kāi)發(fā)者。1. 這套電源方案的項(xiàng)目背景與思路拆解做之前我先把需求攤開(kāi)看了一遍。這個(gè)設(shè)備是單節(jié)鋰聚合物電池供電標(biāo)稱3.7V滿電4.2V放完大概3.0V。系統(tǒng)里需要四路電源域主控和屏幕用的3.3V傳感器和存儲(chǔ)用的1.8V射頻SoC內(nèi)核的一路DVS可調(diào)電壓還有一路低噪聲電源給模擬前端。同時(shí)還要管理USB充電、電池電量監(jiān)測(cè)、睡眠狀態(tài)下的斷電和低功耗切換。這套需求如果按老辦法做板子上至少得有兩顆DCDC、三顆LDO、一顆充電IC再加上一堆反饋電阻和使能邏輯面積和調(diào)試成本都不小。動(dòng)態(tài)調(diào)壓更是麻煩分離方案要做DVS基本得靠額外的DAC或者數(shù)字電位器去調(diào)反饋網(wǎng)絡(luò)光想到這我就頭大。換成集成PMIC的思路之后多路降壓、LDO、充電子模塊都塞進(jìn)一顆PCA9422主控通過(guò)I2C讀寫(xiě)幾個(gè)寄存器就能完成電壓配置、模式和狀態(tài)讀取本質(zhì)上把供電系統(tǒng)當(dāng)成一個(gè)外設(shè)來(lái)操作復(fù)雜度完全不是一個(gè)量級(jí)。1.1 可穿戴設(shè)備的電源需求到底難在哪先說(shuō)電壓軌多。一塊板子上同時(shí)存在3.3V的數(shù)字域、1.8V的接口域、1.2V左右的SoC內(nèi)核域、還有傳感器需要的低噪聲模擬電源每一路的負(fù)載特性還都不一樣。降壓芯片選型的時(shí)候要考慮輸入電壓范圍是否覆蓋電池電壓波動(dòng)輸出電流是否留夠裕量負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)能不能扛住射頻發(fā)射時(shí)的大電流抽水。再說(shuō)負(fù)載變化快。射頻SoC在傳輸時(shí)電流可能瞬間拉高傳感器啟動(dòng)瞬間也有一波浪涌。如果電源芯片沒(méi)有良好的瞬態(tài)響應(yīng)電壓就會(huì)跌到負(fù)載的最低工作門(mén)限以下直接導(dǎo)致復(fù)位或者數(shù)據(jù)損壞。而低功耗模式下又希望電源系統(tǒng)本身消耗盡量少最好能進(jìn)入PFM或脈沖跳躍模式讓靜態(tài)電流降到幾十微安這個(gè)級(jí)別。還有充電和供電同時(shí)存在的場(chǎng)景。插入U(xiǎn)SB充電器之后系統(tǒng)要能一邊跑應(yīng)用一邊給電池充電充電完成要及時(shí)停止過(guò)壓過(guò)流要有保護(hù)。這些邏輯用分離器件做保護(hù)電路和邏輯電路累加起來(lái)很占PCB面積而且每一版改需求都要重新調(diào)硬件。1.2 方案選型為什么用集成PMIC加主控MCU把供電需求整理完我基本上就確定要往集成PMIC方向走了。一顆PCA9422把電池充放電管理、多路降壓輸出、LDO和內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測(cè)整合在一起外部只需要少量電感電容就能工作。它和主控之間走I2C軟件里一個(gè)寄存器就能配置某一路的輸出電壓甚至能在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)修改電壓這是分離方案很難做到的。這時(shí)候有朋友會(huì)問(wèn)STM32F411RE 本身不就有很多低功耗模式嗎為什么還需要一顆PMIC來(lái)配合要分清MCU的低功耗模式和系統(tǒng)級(jí)的電源管理是兩碼事。STM32可以做的是控制自身進(jìn)入Sleep、Stop甚至Standby模式但它管不了板上其他負(fù)載的電源域。射頻SoC想睡、傳感器想斷電、模擬前端需要單獨(dú)調(diào)電壓這些都得靠PMIC去切。主控和PMIC一個(gè)負(fù)責(zé)“腦子清醒地做決策”一個(gè)負(fù)責(zé)“手里的閘刀和變壓器聽(tīng)指揮”角色非常清楚。1.3 系統(tǒng)功能劃分我還把這套方案里的職責(zé)劃分成四個(gè)部分。首先是功率變換部分PCA9422負(fù)責(zé)把電池電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的各種電壓軌。其次是與主控交互部分STM32F411RE通過(guò)I2C總線讀寫(xiě)PCA9422內(nèi)部的寄存器配置輸出電壓、充電電流和輕負(fù)載模式。第三是狀態(tài)感知部分通過(guò)PMIC內(nèi)部的ADC或者外部分壓電路把電池電壓、充電電流、故障狀態(tài)這些信息采集回來(lái)。最后是策略執(zhí)行部分主控根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行工況決定是否調(diào)低某路電壓、是否關(guān)閉某路輸出、是否啟動(dòng)充電中斷這些都是純軟件邏輯。2. 硬件設(shè)計(jì)與電源樹(shù)搭建硬件是整個(gè)電源方案的地基軟件調(diào)得再好電源樹(shù)設(shè)計(jì)不對(duì)也是白搭。我在這部分把電源樹(shù)架構(gòu)、PCA9422的關(guān)鍵模塊、STM32F411RE的角色以及PCB布局的注意點(diǎn)都過(guò)一遍。2.1 整體電源樹(shù)設(shè)計(jì)我這套板子的電源樹(shù)大概是下面這個(gè)結(jié)構(gòu)。電池正極直接進(jìn)PCA9422的輸入腳USB充電檢測(cè)也走PMIC的輸入側(cè)。輸出側(cè)安排如下VOUT1做3.3V主電源供給STM32F411RE和屏幕這一路負(fù)載電流最大放在第一路VOUT2做1.8V給傳感器和存儲(chǔ)芯片VOUT3做DVS可調(diào)電壓給我的射頻SoC內(nèi)核范圍設(shè)在1.0V到1.3V之間LDO輸出一路1.8V低噪聲電源專(zhuān)門(mén)給模擬前端避免開(kāi)關(guān)噪聲耦合進(jìn)測(cè)量通路。還有一路備份電源域用LDO降壓后接STM32的VBAT保證主電源斷開(kāi)時(shí)RTC和備份寄存器還能工作。做電源樹(shù)的時(shí)候有個(gè)小原則就是把負(fù)載分類(lèi)數(shù)字核心、接口電平、模擬低噪聲、備份電源每一類(lèi)單獨(dú)走一軌不混用。這樣好處是調(diào)試隔離非常方便某一域出問(wèn)題不會(huì)拖垮整個(gè)系統(tǒng)。比如模擬前端如果和數(shù)字接口共用一路電源傳感器數(shù)據(jù)里經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)周期性毛刺排查起來(lái)很痛苦。2.2 PCA9422核心模塊分析PCA9422這顆PMIC的總體架構(gòu)我分成三個(gè)部分來(lái)看。輸入側(cè)是電池充電管理模塊支持從USB適配器取電給電池充電同時(shí)具備路徑管理能力也就是插著充電器的時(shí)候系統(tǒng)由適配器供電電池多余的電再充進(jìn)去而不是系統(tǒng)直接吃電池的電流。這個(gè)功能對(duì)手環(huán)這類(lèi)設(shè)備太重要了很多分離方案都沒(méi)做到這個(gè)級(jí)別系統(tǒng)經(jīng)常一邊插著電充電一邊還能看著電量往下掉就是因?yàn)闆](méi)有電源路徑管理。中間部分是降壓轉(zhuǎn)換器和LDO陣列。多路BUCK都由內(nèi)部的高精度基準(zhǔn)控制輸出電壓通過(guò)I2C寄存器配置部分通道支持DVS動(dòng)態(tài)調(diào)壓。輕載時(shí)PMIC自動(dòng)進(jìn)入低靜態(tài)電流模式這正好配合我整機(jī)睡眠的場(chǎng)景。另外還有一路固定的LDO輸出低噪聲電壓給模擬負(fù)載。最后一部分是控制和監(jiān)測(cè)邏輯。I2C接口、中斷輸出、狀態(tài)寄存器、ADC監(jiān)測(cè)都在這里。主控可以通過(guò)狀態(tài)寄存器讀到充電狀態(tài)、電源故障標(biāo)志、以及內(nèi)部ADC采樣到的電池電壓和溫度數(shù)據(jù)。2.3 STM32F411RE在系統(tǒng)里的職責(zé)STM32F411RE 是一顆Cortex-M4F內(nèi)核的MCU主頻最高100MHz512KB Flash和128KB SRAM在需要一定算力的便攜設(shè)備里性能完全夠用。它在這個(gè)系統(tǒng)里既是應(yīng)用主控又是電源管理控制器。Flash、RAM、外設(shè)資源都比較寬裕跑一個(gè)輕量級(jí)RTOS都沒(méi)問(wèn)題電源管理狀態(tài)機(jī)可以作為一個(gè)獨(dú)立任務(wù)來(lái)運(yùn)行。選這顆芯片還有一個(gè)理由是它的外設(shè)豐富I2C、SPI、UART、ADC、DMA都有后續(xù)如果要接外部傳感器、屏幕、無(wú)線模塊甚至做OTA升級(jí)都不需要再換更高端的平臺(tái)。休眠電流雖然比不上專(zhuān)門(mén)的低功耗系列但在整機(jī)睡眠策略里真正決定續(xù)航的是PMIC的靜態(tài)電流和整個(gè)系統(tǒng)的斷電管理而不是MCU單體休眠電流能壓到多低。2.4 原理圖與PCB布局要點(diǎn)畫(huà)原理圖的時(shí)候PCA9422周邊的電感電容選型直接影響性能。BUCK的電感一般根據(jù)手冊(cè)推薦值選我習(xí)慣選飽和電流比最大負(fù)載大30%以上的規(guī)格避免瞬態(tài)大電流時(shí)電感飽和造成電壓紋波激增。輸入輸出電容至少選10uF的X5R或X7R陶瓷電容并且要放在芯片引腳的同一層、盡可能靠近引腳環(huán)路面積越小越好。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)是輻射源底層直接鋪地不要走細(xì)線。I2C總線的上拉電阻我用4.7k400kHz快速模式穩(wěn)得很。STM32F411RE的I2C引腳在板子一端PCA9422在另一端走線盡量短并且保證兩根線的長(zhǎng)度差不多減少信號(hào)偏斜。PMIC的使能和中斷引腳接到主控的GPIO上不能用固定電平代替否則軟件沒(méi)法做時(shí)序控制和事件響應(yīng)。PCB布局的時(shí)候我習(xí)慣把PMIC周?chē)纬梢粋€(gè)小禁區(qū)其他信號(hào)線不穿進(jìn)去。功率地單獨(dú)鋪一片然后和數(shù)字地單點(diǎn)連接。這樣既避免了大電流在地平面上造成的噪聲干擾傳感器模擬信號(hào)也給調(diào)試留了清晰的測(cè)量點(diǎn)。實(shí)測(cè)下來(lái)認(rèn)真處理地平面和去耦之后模擬前端數(shù)據(jù)的峰峰值明顯干凈了很多。3. 軟件框架與核心代碼實(shí)現(xiàn)硬件裝好之后真正花時(shí)間的是軟件。我這套軟件用的STM32 HAL庫(kù)環(huán)境是CubeMX初始化好I2C和GPIO之后自己寫(xiě)PMIC驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用層狀態(tài)機(jī)。3.1 I2C驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)PCA9422和主控之間就是普通的I2C從機(jī)通信帶寄存器地址。HAL庫(kù)里直接用Mem_Write和Mem_Read就能處理這種帶片內(nèi)地址的器件。初始化代碼沒(méi)有什么特別就是CubeMX配置I2C1為主模式速率400kHz時(shí)鐘源和引腳分配的細(xì)節(jié)不展開(kāi)了。有一點(diǎn)要注意PMIC屬于對(duì)實(shí)時(shí)性有一定要求的器件比如充電中斷和故障信號(hào)如果I2C總線上掛了多個(gè)設(shè)備每個(gè)讀操作都要做超時(shí)容錯(cuò)。我的做法是每次讀寫(xiě)后檢查HAL函數(shù)的返回值失敗就復(fù)位一下I2C總線狀態(tài)并重新嘗試三次防止總線鎖死把整個(gè)電源管理策略卡住。uint8_t pmic_read_reg(uint8_t reg, uint8_t *buf, uint16_t len) { HAL_StatusTypeDef status; for (uint8_t retry 0; retry 3; retry) { status HAL_I2C_Mem_Read(hi2c1, PMIC_I2C_ADDR 1, reg, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buf, len, 100); if (status HAL_OK) { return 0; } HAL_I2C_DeInit(hi2c1); MX_I2C1_Init(); } return 1; } uint8_t pmic_write_reg(uint8_t reg, uint8_t *buf, uint16_t len) { HAL_StatusTypeDef status; for (uint8_t retry 0; retry 3; retry) { status HAL_I2C_Mem_Write(hi2c1, PMIC_I2C_ADDR 1, reg, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buf, len, 100); if (status HAL_OK) { return 0; } HAL_I2C_DeInit(hi2c1); MX_I2C1_Init(); } return 1; }這里的PMIC_I2C_ADDR要根據(jù)硬件原理圖上的地址引腳確認(rèn)默認(rèn)值我這邊是0x60附近。有的板子從機(jī)地址可能不同最省事的辦法是上電后用I2C地址掃描把0x08到0x77都掃一遍看哪個(gè)地址有應(yīng)答避免對(duì)著手冊(cè)猜。3.2 PMIC寄存器抽象與初始化不同批次和尾綴的PCA9422寄存器定義可能不完全一致我在實(shí)際項(xiàng)目里每次都會(huì)打開(kāi)對(duì)應(yīng)批次的數(shù)據(jù)手冊(cè)把寄存器地址和位定義對(duì)著改一遍。我的做法是在驅(qū)動(dòng)文件頂部把所有寄存器定義集中成宏初始化的時(shí)候統(tǒng)一填寫(xiě)配置表這樣后面要調(diào)整電壓檔位或者修改充電電流只需要改表里的數(shù)值不用翻一堆代碼。#define PMIC_REG_MAIN_OUT1 0x10 #define PMIC_REG_MAIN_OUT2 0x11 #define PMIC_REG_MAIN_OUT3 0x12 #define PMIC_REG_LDO1 0x13 #define PMIC_REG_CHG_CTRL 0x14 #define PMIC_REG_CHG_STATUS 0x15 #define PMIC_REG_SYS_STATUS 0x16 #define PMIC_REG_DVS_CTRL 0x17 #define PMIC_REG_ADC_RESULT 0x18 #define PMIC_REG_INT_FLAG 0x19以上地址是我手上這顆樣片的定義僅作為代碼示例實(shí)際以手冊(cè)為準(zhǔn)。初始化的時(shí)候我會(huì)先把所有輸出通道配置成預(yù)設(shè)電壓然后使能需要的中斷源最后把整機(jī)電源狀態(tài)機(jī)切到正常運(yùn)行模式。配置表放在常量數(shù)組里每一行是寄存器地址和寫(xiě)入值初始化時(shí)循環(huán)讀寫(xiě)一遍并且讀回來(lái)校驗(yàn)如果校驗(yàn)不通過(guò)就點(diǎn)亮板子上的故障LED。typedef struct { uint8_t reg; uint8_t val; } pmic_cfg_item_t; const pmic_cfg_item_t pmic_init_cfg[] { { PMIC_REG_MAIN_OUT1, 0x30 }, /* 3.3V按手冊(cè)映射 */ { PMIC_REG_MAIN_OUT2, 0x20 }, /* 1.8V */ { PMIC_REG_MAIN_OUT3, 0x10 }, /* 1.2VDVS起點(diǎn) */ { PMIC_REG_LDO1, 0x20 }, /* 1.8V模擬電源 */ { PMIC_REG_CHG_CTRL, 0x11 }, /* 充電使能電流檔位 */ }; void pmic_init(void) { uint8_t val 0; uint32_t items sizeof(pmic_init_cfg) / sizeof(pmic_init_cfg[0]); for (uint32_t i 0; i items; i) { if (pmic_write_reg(pmic_init_cfg[i].reg, (uint8_t *)pmic_init_cfg[i].val, 1) ! 0) { error_handler(); } if (pmic_read_reg(pmic_init_cfg[i].reg, val, 1) ! 0) { error_handler(); } if (val ! pmic_init_cfg[i].val) { error_handler(); } } }3.3 DVS動(dòng)態(tài)調(diào)壓實(shí)現(xiàn)DVS是這個(gè)方案里最有意思的部分。傳統(tǒng)的調(diào)壓是硬件工程師對(duì)著電位器和電阻網(wǎng)絡(luò)一遍遍調(diào)試現(xiàn)在則是軟件里寫(xiě)個(gè)函數(shù)把目標(biāo)電壓值編碼后寫(xiě)進(jìn)寄存器輸出就變了。我這邊射頻SoC內(nèi)核電壓有兩個(gè)檔位運(yùn)行模式1.25V低功耗模式1.0V切換時(shí)不能像斷電一樣突然跳變否則可能觸發(fā)負(fù)載側(cè)的上電欠壓復(fù)位。我的實(shí)現(xiàn)步驟是先讓射頻SoC進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)暫停射頻收發(fā)然后往DVS控制寄存器寫(xiě)入目標(biāo)電壓對(duì)應(yīng)的編碼輪詢狀態(tài)寄存器確認(rèn)切換完成最后讓SoC恢復(fù)正常工作。切換過(guò)程中禁止其他線程操作PMIC防止寄存器寫(xiě)入被穿插導(dǎo)致電壓配置錯(cuò)亂。void pmic_set_dvs_voltage(uint8_t target_vout) { uint8_t val 0; /* 1. 通知負(fù)載進(jìn)入電壓切換安全窗口 */ app_radio_suspend(); /* 2. 寫(xiě)入目標(biāo)電壓 */ pmic_write_reg(PMIC_REG_DVS_CTRL, target_vout, 1); /* 3. 等待PMIC狀態(tài)位更新超時(shí)則告警 */ uint32_t timeout 1000; do { pmic_read_reg(PMIC_REG_SYS_STATUS, val, 1); timeout--; } while (!(val 0x01) timeout); if (timeout 0) { power_fault_handler(); } /* 4. 恢復(fù)負(fù)載運(yùn)行 */ app_radio_resume(); }實(shí)際跑了之后我發(fā)現(xiàn)電壓切換如果太快負(fù)載端大的去耦電容會(huì)被瞬間“吸”住PMIC的輸出電壓紋波會(huì)比較難看。所以我在調(diào)試階段把DVS切換分成兩段第一次先切到中間檔穩(wěn)定200us后再切到目標(biāo)檔。代價(jià)是切換時(shí)間變長(zhǎng)但對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性的提升非常明顯。3.4 充電與電池狀態(tài)管理充電管理這塊PCA9422負(fù)責(zé)實(shí)際的恒流恒壓充電控制主控負(fù)責(zé)策略。插入U(xiǎn)SB充電器后主控檢測(cè)到充電狀態(tài)位變化讀取PMIC的充電狀態(tài)寄存器然后把整機(jī)切到充電模式。在這個(gè)模式下屏幕會(huì)顯示充電百分比傳感器照常跑充電電流設(shè)為500mA檔位整機(jī)功耗和充電電流加在一起不要超過(guò)適配器的供電能力。電量監(jiān)測(cè)我用的是電壓查表法加電流積分修正。PMIC內(nèi)部ADC讀到的電池電壓經(jīng)過(guò)分壓換算成實(shí)際電壓值查開(kāi)路電壓曲線得到粗略SOC。然后根據(jù)充放電狀態(tài)用電流和時(shí)間做累積修正。這個(gè)方法精度不高勝在簡(jiǎn)單不需要額外的庫(kù)侖計(jì)芯片。如果產(chǎn)品對(duì)電量精度要求很高建議后續(xù)再加一顆專(zhuān)門(mén)的電池電量計(jì)。充電完成之后我會(huì)主動(dòng)把充電功能關(guān)掉避免浮充電壓一直掛著對(duì)電池壽命有影響。這其實(shí)是個(gè)細(xì)節(jié)很多方案電充滿了還在那邊小電流涓流溫度會(huì)慢慢升高。3.5 低功耗模式聯(lián)動(dòng)整機(jī)低功耗是我覺(jué)得這套方案最爽的地方。以前用分離方案MCU睡了板子上的LDO還在干耗電靜態(tài)電流怎么都?jí)翰幌聛?lái)?，F(xiàn)在主控進(jìn)Sleep之前先通過(guò)I2C把PCA9422的所有輸出通道切到輕載模式同時(shí)把DVS電壓軌從1.25V降到1.0V再關(guān)閉LDO輸出或者把LDO切到低功耗擋位最后才執(zhí)行WFI進(jìn)入睡眠。喚醒流程則是反過(guò)來(lái)外部按鍵或者傳感器中斷先喚醒主控主控從睡眠現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)跑第一段代碼第一時(shí)間通過(guò)I2C把PMIC各通道拉回正常運(yùn)行電壓再去點(diǎn)亮屏幕和啟動(dòng)射頻。整個(gè)切換過(guò)程大概幾個(gè)毫秒用戶可以感知到的是“一秒亮屏”但內(nèi)部其實(shí)經(jīng)歷了一次完整的電壓調(diào)度。測(cè)量下來(lái)整機(jī)靜態(tài)電流從我之前分離方案的1.2mA左右降到了幾十微安級(jí)別續(xù)航直接翻倍。4. 調(diào)試實(shí)錄常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧調(diào)試電源這塊我遇到過(guò)的問(wèn)題基本可以分成六種“通信不穩(wěn)”、“電壓不對(duì)”、“電流不低”、“切換翻車(chē)”、“充電過(guò)熱”和“狀態(tài)誤報(bào)”。每一個(gè)背后都有個(gè)血淚故事我直接整理成帶排查思路的速查列表。4.1 I2C通信時(shí)好時(shí)壞最典型的現(xiàn)象是PMIC偶爾讀寫(xiě)超時(shí)10次里有1次失敗或者在某些GPIO操作之后特別容易丟ACK。我排查下來(lái)一般原因就幾個(gè)I2C上拉電阻太大或太小導(dǎo)致上升沿不夠陡走線太長(zhǎng)繞過(guò)了板子中間的干擾源主控和PMIC的地電勢(shì)有微小差異導(dǎo)致高電平余量不足。解決思路比較直接先把上拉電阻換成2.2k再觀察把總線走線盡量縮短保證兩根線上不要有其他高頻信號(hào)緊貼著飛過(guò)去。另外強(qiáng)烈建議軟件里加總線恢復(fù)機(jī)制檢測(cè)到NACK之后先把SCL時(shí)鐘線上拉幾個(gè)周期讓可能處于半狀態(tài)的總線復(fù)位再重新初始化。4.2 輸出電壓開(kāi)機(jī)瞬間沖高有塊板子一上電萬(wàn)用表看到3.3V直接沖到3.9V然后慢慢掉回來(lái)。這個(gè)問(wèn)題的根子一般在啟動(dòng)順序和軟啟動(dòng)電容上。PMIC的每個(gè)輸出通道通常都有軟啟動(dòng)時(shí)間或者軟啟動(dòng)電容引腳如果軟啟動(dòng)太短負(fù)載端大電容會(huì)把瞬間充電電流拉得很大造成輸出過(guò)沖。我后來(lái)處理的辦法是加長(zhǎng)PMIC輸出通道的軟啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置同時(shí)把主控側(cè)的程序改成延遲使能外設(shè)開(kāi)機(jī)后先讓各路電壓穩(wěn)定幾十毫秒再初始化傳感器和外設(shè)。這樣既解決了過(guò)沖也順便避免了很多外設(shè)在上電瞬間被主控誤操作的問(wèn)題。4.3 靜態(tài)電流降不下來(lái)整機(jī)睡眠之后用萬(wàn)用表串在電池端電流還是居高不下。最開(kāi)始我以為是PMIC沒(méi)有進(jìn)入低功耗模式后來(lái)排查發(fā)現(xiàn)有幾路輸出通道被配置成強(qiáng)制PWM模式輕載時(shí)依然保持高頻開(kāi)關(guān)電流自然壓不下來(lái)。把所有輸出通道在睡眠前都改成PFM或輕載模式之后電流立刻降下來(lái)了。另外還有一個(gè)坑是PMIC內(nèi)部的ADC如果沒(méi)關(guān)或者把連續(xù)采樣使能位打開(kāi)了也會(huì)貢獻(xiàn)幾十微安的功耗睡眠前別忘了處理。我這段時(shí)間甚至養(yǎng)成了習(xí)慣每次睡眠前打印出所有寄存器當(dāng)前值確認(rèn)沒(méi)有漏配的位。4.4 DVS切換引發(fā)負(fù)載復(fù)位這個(gè)問(wèn)題的現(xiàn)象很詭異DVS降電壓的時(shí)候射頻SoC偶爾會(huì)復(fù)位而且不是每次都能復(fù)現(xiàn)。查到最后發(fā)現(xiàn)是負(fù)載端有一個(gè)1.8V上拉的復(fù)位引腳電壓切換過(guò)程中如果復(fù)位引腳的電平被拉低SoC就復(fù)位了。原因是負(fù)載電源域的時(shí)序和DVS切換時(shí)序之間沒(méi)有同步。我的解決方案是把DVS切換流程放在負(fù)載的特定狀態(tài)之后并且提前把復(fù)位引腳配置成強(qiáng)推挽輸出由主控直接控制等DVS穩(wěn)定之后再去恢復(fù)SoC的復(fù)位管理。這也讓我養(yǎng)成了一個(gè)習(xí)慣任何涉及動(dòng)態(tài)電壓切換的操作都要先檢查負(fù)載的復(fù)位、中斷、使能等控制引腳有沒(méi)有可能在電壓變化時(shí)被誤觸發(fā)。4.5 充電時(shí)殼體發(fā)熱明顯設(shè)備插著USB充電半小時(shí)之后觸摸外殼有點(diǎn)燙。用熱像儀看發(fā)熱元件發(fā)現(xiàn)集中在PCA9422附近的電池充電通路。排查下來(lái)是充電電流設(shè)置得比較大同時(shí)電池的內(nèi)阻在低溫環(huán)境下偏高充電路徑上消耗的功率都變成了熱量。解決辦法是加入溫控降流邏輯PMIC內(nèi)部溫度或電池溫度升高到閾值之后主控主動(dòng)把充電電流從500mA降到200mA溫度降下來(lái)再恢復(fù)。這本來(lái)是不起眼的軟件邏輯但對(duì)用戶體驗(yàn)影響非常大尤其是這種貼身佩戴的設(shè)備。4.6 常見(jiàn)問(wèn)題排查速查表現(xiàn)象可能原因排查方向解決建議I2C讀寫(xiě)超時(shí)上拉電阻不匹配波形上升沿/ACK電平換2.2k到4.7k縮短走線輸出過(guò)沖軟啟動(dòng)太快啟動(dòng)波形軟啟動(dòng)參數(shù)延長(zhǎng)軟啟動(dòng)延遲外設(shè)使能靜態(tài)電流偏高輸出被強(qiáng)制連續(xù)開(kāi)關(guān)睡眠前寄存器配置切PFM關(guān)ADC連續(xù)采樣DVS切換復(fù)位負(fù)載控制引腳被干擾示波器抓復(fù)位腳波形主控接管復(fù)位引腳控制切換時(shí)序充電發(fā)熱充電電流過(guò)大紅外測(cè)溫電池溫度溫度閉環(huán)自動(dòng)降流狀態(tài)誤報(bào)ADC分壓網(wǎng)絡(luò)噪聲檢查ADC參考和濾波電容加大采樣濾波時(shí)間軟件均值濾波5. 一些實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和擴(kuò)展想法最后分享幾條這輪做下來(lái)比較深的體會(huì)。第一PMIC不是接上I2C就能高枕無(wú)憂的每一顆芯片的寄存器定義都要以實(shí)際采購(gòu)的那一批手冊(cè)為準(zhǔn)。我一開(kāi)始直接抄了一份老代碼的寄存器表結(jié)果部分位定義對(duì)不上電壓怎么配都偏后來(lái)老老實(shí)實(shí)打開(kāi)手冊(cè)逐位核對(duì)才解決。吃這個(gè)虧之后我把所有寄存器定義集中管理并在代碼里加了一版設(shè)備ID校驗(yàn)上電先讀ID對(duì)不對(duì)不對(duì)就報(bào)警省了不少后續(xù)排查時(shí)間。第二電源管理的狀態(tài)機(jī)一定要集中起來(lái)寫(xiě)不要散落在各個(gè)業(yè)務(wù)代碼里。我的做法是在應(yīng)用層定義一個(gè)power_state_t枚舉包含POWER_ACTIVE、POWER_CHARGING、POWER_SLEEP、POWER_FAULT這幾個(gè)狀態(tài)所有的PMIC操作都統(tǒng)一走到一個(gè)電源管理任務(wù)里業(yè)務(wù)模塊通過(guò)接口請(qǐng)求狀態(tài)變更。這樣才不會(huì)出現(xiàn)屏幕模塊醒了、射頻模塊還睡著的混亂局面。第三調(diào)試電源問(wèn)題示波器要有耐心抓波形但現(xiàn)在很多PMIC都帶了內(nèi)部狀態(tài)寄存器和ADC優(yōu)先用軟件讀狀態(tài)能用寄存器定位就不急著上探頭。硬件問(wèn)題常常是軟件配置問(wèn)題的一層皮讀幾個(gè)狀態(tài)寄存器能少拆很多次板子。這套PCA9422和STM32F411RE的組合在便攜設(shè)備上很有代表性。主控把模擬的、不好調(diào)的、耗電的電源系統(tǒng)變成一個(gè)聽(tīng)話的數(shù)字外設(shè)這應(yīng)該是以后做電池產(chǎn)品的主線思路之一。如果你的產(chǎn)品也需要多電壓域管理、動(dòng)態(tài)調(diào)壓和充電管理不妨先把電源樹(shù)和狀態(tài)機(jī)梳理清楚再照著這個(gè)框架往自己的板子上移植。后面我還會(huì)繼續(xù)把這套設(shè)計(jì)擴(kuò)展成帶遠(yuǎn)程電量監(jiān)控和OTA電源策略調(diào)整的版本到時(shí)候再回來(lái)補(bǔ)充細(xì)節(jié)。