鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設計-----結(jié)論與展望

本章對所做的工作內(nèi)容和取得的成果作了簡要總結(jié)，并從更高的要求出發(fā)，展望了今后工作方向。

6.1主要結(jié)論

近年來，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路的復雜度和集成度有了極大的提高，功耗也因此成為IC設計中除性能、面積之外的另一個重要的設計要素。

在采用電池供電的消費類產(chǎn)品中，集成電路的低功耗設計更是延長電池使用壽命的最有效手段。

目前，對于低功耗的研究往往將模擬、數(shù)字電路進行分開討論，研究得較多也較為成熟的是數(shù)字電路低功耗理論。由于模擬電路處理信號的連續(xù)性、電路結(jié)構(gòu)形式的多樣性、性能指標的精確性，低功耗通常是結(jié)合具體電路而言，所以模擬電路的低功耗研究還有很大的發(fā)展空間。而作為一個實際的系統(tǒng)，常常需要將邏輯控制電路和模擬電路一起集成在同一芯片中，即數(shù)?；旌想娐?，因此研究混合信號電路的低功耗，討論模擬電路的實際功耗限制，協(xié)同考慮數(shù)字、模擬電路的功耗，實現(xiàn)系統(tǒng)層次的統(tǒng)一功耗管理，具有很大的挑戰(zhàn)性。

在集成電路中，所謂的電池管理芯片占有特殊的地位。作為二次電池中的一種，鋰離子電池具有高質(zhì)量比能量、高體積比能量、高充放電循環(huán)、低放電率，單節(jié)電池工作電壓高的優(yōu)點，在便攜式產(chǎn)品中獲得了廣泛的應用。而為了保證它在使用過程中的安全性，要求電池/電池組必須裝有保護功能的電池管理芯片。

這類管理芯片通常屬于數(shù)?；旌舷到y(tǒng)，它不僅要求能實現(xiàn)對電池的高精度保護，還必須保證電流消耗極低，不會影響電池的使用壽命。在小尺寸、輕重量的便攜設備中，單節(jié)鋰離子電池具有很大的應用前景，因此設計單節(jié)鋰離子電池的管理芯片的保護功能，研究單芯片數(shù)?；旌想娐返墓膬?yōu)化方法，具有重要的實踐指導意義和應用價值。

本文從低功耗設計方面，對混合信號中的數(shù)字電路、模擬電路中的低功耗方法進行了討論和研究，提出了協(xié)同考慮數(shù)字、模擬電路功耗的思路和方法；針對單節(jié)鋰離子電池管理芯片的低功耗、高精度要求，進行了保護功能設計，提出了基于負載的系統(tǒng)級動態(tài)功耗管理技術(shù)，給出了電路實現(xiàn)和系統(tǒng)版圖，并通過后模擬驗證了功能和包括功耗在內(nèi)的電學參數(shù)指標。

本文的主要工作及研究成果可以總結(jié)為：

1、對低功耗設計方法進行了研究。

數(shù)字電路的低功耗設計方面，討論了基本的功耗方程，簡要總結(jié)了影響電路功耗的四個主要因素分別為：

• 開關(guān)活動因子、
• 負載電容、
• 工作頻率和工作的電源電壓；

重點從電路設計層次，討論了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)級、寄存器傳輸級、邏輯/門級、版圖級的數(shù)字電路低功耗設計方法，提出在系統(tǒng)級進行功耗優(yōu)化，將取得更顯著的效果。模擬電路的低功耗設計方面，對模擬電路實現(xiàn)低功耗的基本限制條件作了簡要討論，得出了功耗、信噪比和速度間的約束條件；重點分析了設計中的實際限制條件，推導并給出了由噪聲決定的功耗和由精度決定的功耗數(shù)學表達式；總結(jié)了亞閾值電路、電流模式、浮柵技術(shù)、體驅(qū)動MOS管技術(shù)這四種低壓低功耗模擬電路方法，對前兩種技術(shù)中與噪聲和精度相關(guān)的功耗進行了數(shù)學描述，分析比較了四種方案的適用性，指出在標準的數(shù)字電路工藝模式下，亞閾值電路是低功耗模擬電路的較佳選擇。數(shù)?；旌闲盘柕凸脑O計方面，設計了將數(shù)字電路和模擬電路協(xié)同考慮的數(shù)?；旌想娐返凸耐貥憬Y(jié)構(gòu)；提出了在按傳統(tǒng)方法對兩部份分別進行功耗優(yōu)化后，再將數(shù)字電路的動態(tài)功耗管理技術(shù)推廣到整個混合信號系統(tǒng)，控制關(guān)斷不需要工作的模擬電路模塊；并對控制信號產(chǎn)生電路和開關(guān)電路實現(xiàn)方案作了分析比較。

2、對鋰離子電池管理芯片的保護功能和功耗優(yōu)化進行了研究。

系統(tǒng)功能設計中，針對鋰離子電池管理芯片的應用特點，分析了系統(tǒng)設計中的重點，提出了低電流消耗和高精度的設計難點；

設計了具有過放電電壓保護、過充電電壓保護、過放電電流三級保護、過充電電流檢測及零伏電池充電抑制等功能，并給出了系統(tǒng)框圖。

功耗優(yōu)化分為系統(tǒng)級和電路級。系統(tǒng)級功耗優(yōu)化中，提出可以從功耗建模、判決策略、電路實現(xiàn)三個層次，討論適用于單芯片的混合信號系統(tǒng)動態(tài)功耗管理技術(shù)；在對系統(tǒng)組件的分析建?；A(chǔ)上，給出了系統(tǒng)組件和系統(tǒng)的功耗狀態(tài)機圖。簡單總結(jié)了非適應性和適應性判決策略，指出基于預測和隨機控制的方法，在一定程度上，雖然能更好地根據(jù)負載變化控制系統(tǒng)功耗，但是所增加的軟硬件成本使得它們更適用在實時嵌入式系統(tǒng)中；對于單芯片系統(tǒng)，基于Timeout方法因為控制簡單有效，所增加的硬件成本有限而更有實用價值；本文還針對傳統(tǒng)的Timeout方法由于不涉及負載性質(zhì)，對功耗優(yōu)化有很大的不確定性，同時在等待期間的功耗也不容忽視這些不足，分析提出了適用于電池管理芯片的基于負載的預關(guān)斷Timeout方法；本文還建立了系統(tǒng)級的功耗管理框圖，并給出了能實現(xiàn)兩級功耗管理的工作流程。在電路層次的低功耗設計中，提出采用亞閾值電路可以滿足應用要求，對工作在亞閾值區(qū)的MOS管作了進一步的分析討論，并提出了可行的工作狀態(tài)判斷標準及控制方法。

3、對低功耗、高精度的鋰離子電池管理芯片的電路實現(xiàn)進行了設計和研究。

本文分析了電池管理芯片所適用的低功耗混合信號設計流程，指出在電路實現(xiàn)層次，模擬電路和數(shù)字電路模塊可以分別設計驗證。數(shù)字模塊設計中，分析了系統(tǒng)的有限狀態(tài)機模型，同時在上一章所提出的功耗管理模型基礎(chǔ)上，設計了延時模塊和邏輯控制模塊，不僅能完成系統(tǒng)所需要的基本功能，而且能及時檢測負載性質(zhì)和狀態(tài)，由數(shù)字電路內(nèi)部輸出相應的功耗管理信號。模擬電路模塊設計時，首先對電源管理芯片中的極其重要的基礎(chǔ)電路進行了深入討論；采用線性電路實現(xiàn)了電源電壓取樣；從降低數(shù)模電路的電源耦合噪聲、降低電流消耗出發(fā)，提出了基于熱電壓U T的亞閾值自偏置電路的設計思想；為了進一步提高所用工藝實現(xiàn)的可能性，重點設計了無電阻電流偏置電路和電流求和型電壓基準源電路；詳細介紹了模塊中檢測精度要求最為嚴格的比較器，即過充比較器的設計，對其它的比較器電路有一定的實踐指導作用；給出了管理芯片中的關(guān)鍵功能模塊的完整設計方案。

4、對版圖、后仿真進行了分析設計和研究。

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