探索HPM10：听力设备电源管理的理想之选

在当今的听力设备领域，电源管理是确保设备高效、稳定运行的关键因素。onsemi推出的HPM10电源管理IC（PMIC），为助听器和听力植入设备的可充电电池提供了高性能的解决方案。下面，我们就来深入了解一下这款产品。

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产品概述

HPM10是一款专门为听力设备设计的电源管理IC，它负责为助听器生成所需的电压，并优化电池的充电算法，以提高电池的续航能力和充电循环次数。该芯片支持多种可充电电池化学类型，包括银锌（AgZn）和锂离子（Li - Ion）电池，同时也能检测锌空气（Zn - Air）和镍氢（Ni - MH）电池，但不支持对它们进行充电。

此外，HPM10还具备充电器通信接口（CCIF），可以向助听器充电器传达充电进度以及电池的电压、电流、温度等信息，还能报告各种电池故障情况。它具有很高的灵活性，既可以独立于助听器的主数字信号处理器（DSP）工作，实现开关机操作和电池寿命末期（EOL）控制，也可以与主DSP进行更紧密的集成和通信。

关键特性

支持多种电池类型

HPM10能够对多种电池化学类型进行充电和电源管理，包括可充电的锂离子和银锌电池，同时还能检测镍氢电池和一次性锌空气电池。其自动化学检测系统可以识别电池类型，为不同类型的电池提供合适的充电和管理方案。

灵活支持多种电池尺寸

充电参数可以根据电池尺寸进行更新，用户可以将对应一种电池尺寸的参数存储在一次性可编程（OTP）内存中。

电源供应

为助听器的DSP提供干净的电源供应。当使用锂离子电池时，采用降压电容分压器或电荷泵，提供约1.4V至0.95V的电压；当使用银锌电池时，可使用线性稳压器，提供最大1.5V的电压。此外，HPM10还可以直接将电池电压提供给助听器DSP，例如在使用锌空气电池或DSP能够处理银锌电池电压的情况下。

充电器通信接口

通过该接口，HPM10可以将充电过程的状态和电池电压信息传达给助听器充电器，并允许用户与HPM10进行交互。传输的信息包括电池电压水平、充电电流、充电模式阶段、电池化学类型和故障条件等。

电池寿命优化

采用高精度的电流和电压源来管理电池充电曲线，以优化电池的使用寿命。

电池监控

确保电池不会低于临界水平，有助于延长电池寿命。

非易失性内存（OTP）

用于存储充电参数、微调代码和一般产品特定设置。

开关机管理

基于HPM10和助听器DSP之间的智能方法实现开关机操作。

规格参数

绝对最大额定值

HPM10的各个引脚和参数都有明确的绝对最大额定值，例如充电的直流电源电压（VDDP）范围为 - 0.5V至5.7V，数字I/O电源（VDDIO）范围为 - 0.5V至5.5V等。超过这些额定值可能会损坏设备，影响其功能和可靠性。

电气过应力抗扰度

该芯片在静电放电（ESD）和闩锁等方面具有一定的抗扰能力，例如ESD - HBM为2kV，ESD - MM为200V，ESD - CDM为500V（所有引脚），闩锁电流为100mA（25°C）。

电气性能规格

涵盖了整体工作条件、充电电压和电流源、充电器通信接口、降压电荷泵、助听器模式振荡器、充电座模式振荡器、DVREG线性稳压器、电池检测、电压开关控制器、银锌稳压器、模数转换器（ADC）、温度传感器、数字输入阈值和助听器模式电流等多个方面的参数。例如，充电电流范围为0至23mA，充电电流粒度为30μA，降压电荷泵（DIV3）的电源效率在负载为1mA时可达80%以上等。

内部架构与外部组件

内部架构

HPM10的芯片架构如图所示，它包含了多个功能模块，协同工作以实现电源管理和电池充电等功能。

外部组件

HPM10需要六个外部组件，包括用于电荷泵的电容、去耦电容和一个用于与系统交互的按钮。根据所使用的可充电电池类型，部分去耦电容可能不需要。

芯片接口规格

HPM10共有29个焊盘，每个焊盘都有特定的功能和用途，涉及不同的电源域、输入输出类型和模拟/数字属性。例如，CLKDIV[0:2]用于外部时钟分频比设置，SCL和SDA是I²C串行时钟和数据线，CCIF用于数字CCIF信号或三态充电状态传输等。

在助听器中的应用场景

带按钮和密封电池门的助听器

• 充电座充电：插入充电座时开始充电，充电时助听器关闭；取出充电座后进入深度睡眠模式。
• 开关机：按下按钮开机，检测到SWIN信号逻辑高电平，HPM10为DSP提供VHA；按下按钮关机，SWOUT向主DSP发送逻辑高电平，主DSP通过DS_EN使HPM10关闭VHA。
• 电池寿命末期：电池达到EOL时，HPM10进入深度睡眠模式保护电池，或DSP检测到低电压后通过DS_EN使HPM10进入深度睡眠模式。

带按钮和非密封电池门的助听器

• 充电座充电：与带按钮和密封电池门的助听器类似。
• 开关机：取出电池时助听器关闭，插入电池后进入深度睡眠模式；按下按钮开机和关机的操作与上述情况相同。
• 电池寿命末期：处理方式也相同。

不带按钮和密封电池门的助听器

• 充电座充电和开关机：插入充电座充电，充电时关闭；取出充电座后自动开机。
• 存储货架模式：通过触发HPM10接口的DS_EN使HPM10进入深度睡眠模式，延长电池保质期。
• 电池寿命末期：处理方式与其他情况相同。

不带按钮和非密封电池的助听器

• 充电座充电：插入充电座充电，充电时关闭；取出充电座后自动开机。
• 开关机：取出电池时关闭，插入电池时开机。
• 电池寿命末期：处理方式与其他情况相同。

唤醒机制

• SWIN按钮唤醒：在包含按钮的助听器中，当SWIN连接到VBAT至少20ms且电池电压处于健康范围时，HPM10从深度睡眠模式唤醒整个系统。
• 电池插入唤醒：需要一个从VBAT到SWIN的外部电容，时间常数大于200ms，以提供足够长的高脉冲使HPM10的唤醒块锁定并启用DSP。
• 从充电座取出唤醒：当OTP位“no_button”设置为高时，从充电器取出助听器时HPM10唤醒；设置为低时，进入深度睡眠模式。

关机警告

当助听器放入充电座时，输出焊盘WARN向DSP发出即将关机的信号，DSP可以利用这段时间进行数据记录或静音等操作，该时间可以在OTP中以0.5秒的分辨率进行配置，范围为0.5秒至127.5秒。

工作模式

深度睡眠模式

这是一种低功耗模式，所有模块关闭。HPM10可以通过三种方式进入该模式：主机DSP将DS_EN引脚置高；电池电压低于EOL设定点；从充电座模式移除且OTP位“no_button”未设置。

充电座模式

当助听器物理连接到充电座时进入该模式，此时助听器电池开始充电。在该模式下，OTP被启用并将其内容复制到内部锁存器，进行循环冗余校验（CRC），若校验通过则开始充电过程。

助听器模式

HPM10为助听器DSP供电，助听器处于正常运行模式。HPM10可以通过两种方式进入该模式：从深度睡眠模式按下按钮使SWIN变高且电池电压在有效范围内；从充电座模式取出且OTP位“NO_BUTTON = 1”且电池电压在有效范围内。在该模式下，主机DSP需要完成设置外部时钟分频比、提供有效时钟、监测VHA和SWOUT、监测WARN以及在需要时将DS_EN置高使HPM10进入深度睡眠模式等任务。

接口与功能模块

与主机DSP的接口

• SWOUT引脚：提供SWIN引脚的电平转换版本，可连接到主机DSP的GPIO引脚，用于实现其他功能。
• DS_EN输入引脚：用于DSP触发深度睡眠模式，仅在助听器模式下有效，具有抗干扰保护，主机DSP需将该引脚保持高电平超过100μs才能使HPM10进入深度睡眠模式。

DIV3（降压电荷泵）

在使用锂离子电池的助听器模式下，DIV3降压电荷泵用于将VBAT电压除以3，为VHA供电。当VBAT不足以驱动DIV3时，DIV3将关闭。

银锌稳压器

在助听器模式下，当电池电压高于1.5V时，银锌稳压器可将电压限制在1.5V以下，以保护输入电压范围有限的DSP。通过将AGZN_REG_EN引脚接地可禁用该稳压器。

从I²C接口

在充电座模式或调试期间，HPM10的从I²C端口允许外部主机设备访问其内部寄存器，也用于OTP烧录、独立测试和调试。在助听器模式下，I²C接口关闭。

充电器通信接口（CCIF）

这是一个双向接口，用于在充电座模式下将充电过程的状态传达给助听器充电器，并允许用户与HPM10进行交互。它使用基于“Qi”（感应电源标准）的通信协议，数据速率固定为2kHz，传输的信息包括电池电压、电流水平、环境温度、累计电荷、充电模式阶段、电池化学类型和故障条件等。

电池监测

HPM10采用两种电池监测方法：在充电座模式下，高精度10位ADC持续测量电池的电压和电流；在助听器模式下，系统使用瞬时电压和模拟比较器进行电池化学类型的简单检测。

电池充电控制

在充电座模式下，HPM10控制电池的充电过程。支持的电池化学类型为银锌和锂离子，充电过程分为启动、初始化、阶段1、阶段2和完成五个阶段，通过监测电流和电压并使用10位电流DAC控制充电电流。

时钟

HPM10有两个时钟源：在充电座模式下，CM_CLK来自内部RC振荡器；在助听器模式下，HA_CLK可以选择内部RC振荡器或外部时钟信号EXT_CLK的分频版本。

电源管理

包括电池充电控制、降压电荷泵、数字电压调节器、助听器模式电压调节器等多个方面，为不同模块提供合适的电源供应。

数字接口

数字输入输出引脚分别由VDDIO和VHA供电，VDDIO在助听器模式下不使用，I²C接口调试时建议外部供电以减少测量误差。

电压参考

芯片上有两个带隙电压参考，一个用于生成高精度充电电压参考，另一个用于助听器模式的唤醒和Veol比较器。

通用模数转换器（ADC）

用于监测电池电压、充电电流、内部温度、充电器输入电压和VREF等信号，以支持充电算法的管理。

电源域

输入输出分为多个独立的电源域，每个电源域都有自己的ESD钳位结构，以提供引脚电压的灵活性。

开发工具与支持

onsemi为开发者提供了一套全面的工具，包括评估板和充电器板，用于产品的演示、评估和开发。HPM10编程接口可用于在生产线上对OTP进行编程，PC与HPM10之间的通信可以通过TotalPhase的Promira Serial Platform或ON Semiconductor的Communication Accelerator Adaptor实现。

HPM10以其丰富的功能、灵活的设计和出色的性能，为听力设备的电源管理提供了一个优秀的解决方案。无论是对于助听器制造商还是电子工程师来说，HPM10都是一个值得深入研究和应用的产品。你在使用类似电源管理IC时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。