鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設計-----結論與展望

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

6.1主要結論

近年來，隨著信息技術的飛速發(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、電路結構形式的多樣性、性能指標的精確性，低功耗通常是結合具體電路而言，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)模混合電路，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)模混合電路的功耗優(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，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為：

1、對數(shù)?；旌闲盘栯娐?/em>的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，簡要總結了影響電路功耗的四個主要因素分別為：

• 開關活動因子、
• 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)結構級、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；總結了亞閾值電路、電流模式、浮柵技術、體驅(qū)動MOS管技術這四種低壓低功耗模擬電路方法，對前兩種技術中與噪聲和精度相關的功耗進行了數(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構；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)功耗管理技術推廣到整個混合信號系統(tǒng)，控制關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；在對系統(tǒng)組件的分析建?；A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。

討論了數(shù)?；旌闲盘栯娐?/em>版圖設計中的主要問題后，結合所用工藝，介紹了系統(tǒng)中的一些特殊器件的制作，設計了芯片版圖；分析了本文所用的版圖驗證方案，在此基礎上對系統(tǒng)功能、性能指標和功耗作了后仿真驗證。從具體的驗證結果可以看出，本文所設計的鋰離子電池管理芯片和文獻中同類先進產(chǎn)品相比，在考慮了工藝漂移、溫度變化等因素的影響之后，本芯片能實現(xiàn)所有的設計功能，電學指標達到或優(yōu)于文獻，而電流消耗節(jié)省了14%左右。

應該指出，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)品的設計中，因此有相當?shù)墓こ虘脙r值。

6.2未來工作展望

本文對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，對同類系統(tǒng)的低功耗研究和功能設計有著相當?shù)膮⒖純r值，但是還可以進一步地完善與發(fā)展。

1、鋰離子電池管理芯片的低功耗設計方法研究有待進一步深入。

在可以犧牲一部分軟硬件為代價的前提下，通過動態(tài)功耗管理技術獲得有益的功耗節(jié)省，對電池管理芯片應該是一個較佳的設計方案。但研究單芯片的混合信號系統(tǒng)，尤其是實時的電池管理芯片，需要建立一個準確有效的功耗模型，本文結合應用特點，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，但在較為復雜的電池組供電場合，這種模型還需要進一步的改進，即必須建立具有多種關斷狀態(tài)的復雜模型，而此時開關電路模塊所引起的能量損耗及時間延遲也必須加以深入考慮。同時，本文提出的基于負載驅(qū)動的預關斷Timeout方法，雖然能夠克服常規(guī)Timeout方法的一些局限，如負載信息的不確定，針對電池管理芯片而言更能實現(xiàn)某種程度的自適應性，處理簡單而且容易實現(xiàn)，但是它只適用于具有兩種功耗狀態(tài)的系統(tǒng)，對于復雜系統(tǒng)還需要對基于隨機控制的功耗優(yōu)化方法作進一步研究。

2、新技術的發(fā)展和采用。

本文在進行電路和版圖設計時，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），這在實現(xiàn)時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，并且能實現(xiàn)后者無法達到的分壓比可調(diào)；同時電壓基準源電路中，因為要輸出不同的基準電壓，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，目前認為大電阻幾乎是無法避免的。但如果在設計時，采用動態(tài)模擬電路，相應的動態(tài)管理技術也不再是對功耗狀態(tài)的控制，而是根據(jù)負載的性質(zhì)和要求，動態(tài)地控制電路的工作頻率，大電阻的問題才有可能解決。但是必須指出的是，這種新的技術對系統(tǒng)時鐘的設計，如對時鐘頻率的選擇、時鐘樹的構建、系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性等都提出了極高的要求。事實上，以時鐘頻率的設計為例，檢測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邏輯控制模塊的設計難度。但是無論如何，動態(tài)采樣仍然不失為解決大電阻問題的一個可能方案，還有待開展更深入的研究。

總之，在電池技術發(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電池的使用壽命，有著極重要的應用背景和現(xiàn)實意義。電池管理芯片是電池使用過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)?；旌闲盘柕碾姵毓芾韱涡酒到y(tǒng)，如何在實現(xiàn)對電池的有效管理之外，還能利用電池的使用狀態(tài)，動態(tài)地進行功耗管理，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展。