鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設(shè)計(jì)-----結(jié)論與展望

本章對(duì)所做的工作內(nèi)容和取得的成果作了簡(jiǎn)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(lái)，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路的復(fù)雜度和集成度有了極大的提高，功耗也因此成為IC設(shè)計(jì)中除性能、面積之外的另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)要素。

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

目前，對(duì)于低功耗的研究往往將模擬、數(shù)字電路進(jìn)行分開(kāi)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(hào)的連續(xù)性、電路結(jié)構(gòu)形式的多樣性、性能指標(biāo)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(gè)實(shí)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)?；旌想娐罚虼搜芯炕旌闲盘?hào)電路的低功耗，討論模擬電路的實(shí)際功耗限制，協(xié)同考慮數(shù)字、模擬電路的功耗，實(shí)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(diǎn)，在便攜式產(chǎn)品中獲得了廣泛的應(yīng)用。而為了保證它在使用過(guò)程中的安全性，要求電池/電池組必須裝有保護(hù)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(shí)現(xiàn)對(duì)電池的高精度保護(hù)，還必須保證電流消耗極低，不會(huì)影響電池的使用壽命。在小尺寸、輕重量的便攜設(shè)備中，單節(jié)鋰離子電池具有很大的應(yīng)用前景，因此設(shè)計(jì)單節(jié)鋰離子電池的管理芯片的保護(hù)功能，研究單芯片數(shù)模混合電路的功耗優(yōu)化方法，具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。

本文從低功耗設(shè)計(jì)方面，對(duì)混合信號(hào)中的數(shù)字電路、模擬電路中的低功耗方法進(jìn)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(duì)單節(jié)鋰離子電池管理芯片的低功耗、高精度要求，進(jìn)行了保護(hù)功能設(shè)計(jì)，提出了基于負(fù)載的系統(tǒng)級(jí)動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)，給出了電路實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)版圖，并通過(guò)后模擬驗(yàn)證了功能和包括功耗在內(nèi)的電學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

本文的主要工作及研究成果可以總結(jié)為：

1、對(duì)數(shù)?；旌闲盘?hào)電路的低功耗設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。

數(shù)字電路的低功耗設(shè)計(jì)方面，討論了基本的功耗方程，簡(jiǎn)要總結(jié)了影響電路功耗的四個(gè)主要因素分別為：

• 開(kāi)關(guān)活動(dòng)因子、
• 負(fù)載電容、
• 工作頻率和工作的電源電壓；

重點(diǎn)從電路設(shè)計(jì)層次，討論了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)級(jí)、寄存器傳輸級(jí)、邏輯/門級(jí)、版圖級(jí)的數(shù)字電路低功耗設(shè)計(jì)方法，提出在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行功耗優(yōu)化，將取得更顯著的效果。模擬電路的低功耗設(shè)計(jì)方面，對(duì)模擬電路實(shí)現(xiàn)低功耗的基本限制條件作了簡(jiǎn)要討論，得出了功耗、信噪比和速度間的約束條件；重點(diǎn)分析了設(shè)計(jì)中的實(shí)際限制條件，推導(dǎo)并給出了由噪聲決定的功耗和由精度決定的功耗數(shù)學(xué)表達(dá)式；總結(jié)了亞閾值電路、電流模式、浮柵技術(shù)、體驅(qū)動(dòng)MOS管技術(shù)這四種低壓低功耗模擬電路方法，對(duì)前兩種技術(shù)中與噪聲和精度相關(guān)的功耗進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述，分析比較了四種方案的適用性，指出在標(biāo)準(zhǔn)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)模混合信號(hào)低功耗設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)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(duì)兩部份分別進(jìn)行功耗優(yōu)化后，再將數(shù)字電路的動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)推廣到整個(gè)混合信號(hào)系統(tǒng)，控制關(guān)斷不需要工作的模擬電路模塊；并對(duì)控制信號(hào)產(chǎn)生電路和開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)方案作了分析比較。

2、對(duì)鋰離子電池管理芯片的保護(hù)功能和功耗優(yōu)化進(jìn)行了研究。

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)中，針對(duì)鋰離子電池管理芯片的應(yīng)用特點(diǎn)，分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，提出了低電流消耗和高精度的設(shè)計(jì)難點(diǎn)；

設(shè)計(jì)了具有過(guò)放電電壓保護(hù)、過(guò)充電電壓保護(hù)、過(guò)放電電流三級(jí)保護(hù)、過(guò)充電電流檢測(cè)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(jí)和電路級(jí)。系統(tǒng)級(jí)功耗優(yōu)化中，提出可以從功耗建模、判決策略、電路實(shí)現(xiàn)三個(gè)層次，討論適用于單芯片的混合信號(hào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)；在對(duì)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(jī)圖。簡(jiǎn)單總結(jié)了非適應(yīng)性和適應(yīng)性判決策略，指出基于預(yù)測(cè)和隨機(jī)控制的方法，在一定程度上，雖然能更好地根據(jù)負(fù)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(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中；對(duì)于單芯片系統(tǒng)，基于Timeout方法因?yàn)榭刂坪?jiǎn)單有效，所增加的硬件成本有限而更有實(shí)用價(jià)值；本文還針對(duì)傳統(tǒng)的Timeout方法由于不涉及負(fù)載性質(zhì)，對(duì)功耗優(yōu)化有很大的不確定性，同時(shí)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(fù)載的預(yù)關(guān)斷Timeout方法；本文還建立了系統(tǒng)級(jí)的功耗管理框圖，并給出了能實(shí)現(xiàn)兩級(jí)功耗管理的工作流程。在電路層次的低功耗設(shè)計(jì)中，提出采用亞閾值電路可以滿足應(yīng)用要求，對(duì)工作在亞閾值區(qū)的MOS管作了進(jìn)一步的分析討論，并提出了可行的工作狀態(tài)判斷標(biāo)準(zhǔn)及控制方法。

3、對(duì)低功耗、高精度的鋰離子電池管理芯片的電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(hào)設(shè)計(jì)流程，指出在電路實(shí)現(xiàn)層次，模擬電路和數(shù)字電路模塊可以分別設(shè)計(jì)驗(yàn)證。數(shù)字模塊設(shè)計(jì)中，分析了系統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)模型，同時(shí)在上一章所提出的功耗管理模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了延時(shí)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(shí)檢測(cè)負(fù)載性質(zhì)和狀態(tài)，由數(shù)字電路內(nèi)部輸出相應(yīng)的功耗管理信號(hào)。模擬電路模塊設(shè)計(jì)時(shí)，首先對(duì)電源管理芯片中的極其重要的基礎(chǔ)電路進(jìn)行了深入討論；采用線性電路實(shí)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(shè)計(jì)思想；為了進(jìn)一步提高所用工藝實(shí)現(xiàn)的可能性，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了無(wú)電阻電流偏置電路和電流求和型電壓基準(zhǔn)源電路；詳細(xì)介紹了模塊中檢測(cè)精度要求最為嚴(yán)格的比較器，即過(guò)充比較器的設(shè)計(jì)，對(duì)其它的比較器電路有一定的實(shí)踐指導(dǎo)作用；給出了管理芯片中的關(guān)鍵功能模塊的完整設(shè)計(jì)方案。

4、對(duì)版圖、后仿真進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)和研究。

討論了數(shù)?；旌闲盘?hào)電路版圖設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題后，結(jié)合所用工藝，介紹了系統(tǒng)中的一些特殊器件的制作，設(shè)計(jì)了芯片版圖；分析了本文所用的版圖驗(yàn)證方案，在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)功能、性能指標(biāo)和功耗作了后仿真驗(yàn)證。從具體的驗(yàn)證結(jié)果可以看出，本文所設(shè)計(jì)的鋰離子電池管理芯片和文獻(xiàn)中同類先進(jìn)產(chǎn)品相比，在考慮了工藝漂移、溫度變化等因素的影響之后，本芯片能實(shí)現(xiàn)所有的設(shè)計(jì)功能，電學(xué)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于文獻(xiàn)，而電流消耗節(jié)省了14%左右。

應(yīng)該指出，本文提出的適用于鋰離子電池管理芯片的低功耗方案，完全可以推廣到同類或同系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，因此有相當(dāng)?shù)墓こ虘?yīng)用價(jià)值。

6.2未來(lái)工作展望

本文對(duì)于鋰離子電池管理芯片的研究盡管做了大量工作，取得了一定的研究成果，對(duì)同類系統(tǒng)的低功耗研究和功能設(shè)計(jì)有著相當(dāng)?shù)膮⒖純r(jià)值，但是還可以進(jìn)一步地完善與發(fā)展。

1、鋰離子電池管理芯片的低功耗設(shè)計(jì)方法研究有待進(jìn)一步深入。

在可以犧牲一部分軟硬件為代價(jià)的前提下，通過(guò)動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)獲得有益的功耗節(jié)省，對(duì)電池管理芯片應(yīng)該是一個(gè)較佳的設(shè)計(jì)方案。但研究單芯片的混合信號(hào)系統(tǒng)，尤其是實(shí)時(shí)的電池管理芯片，需要建立一個(gè)準(zhǔn)確有效的功耗模型，本文結(jié)合應(yīng)用特點(diǎn)，提出了分別具有兩種、三種功耗狀態(tài)的系統(tǒng)組件及系統(tǒng)模型，已能夠滿足一般的要求，但在較為復(fù)雜的電池組供電場(chǎng)合，這種模型還需要進(jìn)一步的改進(jìn)，即必須建立具有多種關(guān)斷狀態(tài)的復(fù)雜模型，而此時(shí)開(kāi)關(guān)電路模塊所引起的能量損耗及時(shí)間延遲也必須加以深入考慮。同時(shí)，本文提出的基于負(fù)載驅(qū)動(dòng)的預(yù)關(guān)斷Timeout方法，雖然能夠克服常規(guī)Timeout方法的一些局限，如負(fù)載信息的不確定，針對(duì)電池管理芯片而言更能實(shí)現(xiàn)某種程度的自適應(yīng)性，處理簡(jiǎn)單而且容易實(shí)現(xiàn)，但是它只適用于具有兩種功耗狀態(tài)的系統(tǒng)，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)還需要對(duì)基于隨機(jī)控制的功耗優(yōu)化方法作進(jìn)一步研究。

2、新技術(shù)的發(fā)展和采用。

本文在進(jìn)行電路和版圖設(shè)計(jì)時(shí)，為了有效降低電流消耗，不可避免地使用了大電阻（總電阻值在M級(jí)），這在實(shí)現(xiàn)時(shí)占用了較大的版圖面積。比如在電壓取樣電路中，采用Trimming技術(shù)的電阻分壓電路和MOS管分壓電路相比，線性度好、可靠性好，并且能實(shí)現(xiàn)后者無(wú)法達(dá)到的分壓比可調(diào)；同時(shí)電壓基準(zhǔn)源電路中，因?yàn)橐敵霾煌幕鶞?zhǔn)電壓，也需要較大的電阻以減小靜態(tài)電流消耗，所以在電池管理芯片中，目前認(rèn)為大電阻幾乎是無(wú)法避免的。但如果在設(shè)計(jì)時(shí)，采用動(dòng)態(tài)模擬電路，相應(yīng)的動(dòng)態(tài)管理技術(shù)也不再是對(duì)功耗狀態(tài)的控制，而是根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)和要求，動(dòng)態(tài)地控制電路的工作頻率，大電阻的問(wèn)題才有可能解決。但是必須指出的是，這種新的技術(shù)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，如對(duì)時(shí)鐘頻率的選擇、時(shí)鐘樹(shù)的構(gòu)建、系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性等都提出了極高的要求。事實(shí)上，以時(shí)鐘頻率的設(shè)計(jì)為例，檢測(cè)電壓高精度必然要求電壓采樣的頻率較高，而系統(tǒng)頻率的提高又將極大地影響著功耗優(yōu)化效果。而且，這種方法也必然增加相應(yīng)邏輯控制模塊的設(shè)計(jì)難度。但是無(wú)論如何，動(dòng)態(tài)采樣仍然不失為解決大電阻問(wèn)題的一個(gè)可能方案，還有待開(kāi)展更深入的研究。

總之，在電池技術(shù)發(fā)展速度遜于集成電路的發(fā)展現(xiàn)狀下，研究集成電路的低功耗以盡可能地延長(zhǎng)電池的使用壽命，有著極重要的應(yīng)用背景和現(xiàn)實(shí)意義。電池管理芯片是電池使用過(guò)程中不可或缺的一部分，也是所謂的電源管理芯片的重要組成部分。深入研究數(shù)模混合信號(hào)的電池管理單芯片系統(tǒng)，如何在實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的有效管理之外，還能利用電池的使用狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地進(jìn)行功耗管理，節(jié)省自身電池能量消耗，甚至給片外系統(tǒng)提供有益的功耗管理信息，還有很多的工作需要深入開(kāi)展。