鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設計

1.1鋰離子電池管理芯片的應用及發(fā)展

1.1.1鋰離子電池的特點(diǎn)及應用

早在1912年，以金屬鋰作為電極的鋰電池（Li Battery）的研究就開(kāi)始了，到上世紀七十年代，不可充電的鋰電池才首次應用在商業(yè)領(lǐng)域。上世紀八十年代，研究的重點(diǎn)集中在可充電的鋰離子電池（Li-ion Battery）上，但并沒(méi)有成功解決電池的安全性問(wèn)題。一直到1991年，Sony公司首次實(shí)現了鋰離子電池商業(yè)化，被認為是能源技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要的里程牌。

如表1.1所示，和Ni-Cd等其它二次電池相比，鋰離子電池具有更高的能量密度（包括質(zhì)量比能量和體積比能量）、更高的充放電循環(huán)、更低的放電率和更高的單節電池工作電壓（3.6V）。顯然，鋰離子電池的高工作電壓將有利于減小移動(dòng)裝備的尺寸，高能量密度將有利于電池的輕量化，低放電率也能保證存儲期間的正常使用。



這十幾年間，鋰離子電池的應用獲得了巨大發(fā)展，現已成為通訊類(lèi)電子產(chǎn)品的主要能源之一，被廣泛應用在筆記本電腦、GSM/CDMA、數碼相機、攝像機及PDA等高端便攜式消費類(lèi)電子產(chǎn)品中[2]。如果將1997年以前適應筆記本電腦市場(chǎng)、降低電池成本、提高容量稱(chēng)為鋰離子電池第一個(gè)黃金時(shí)期，那么在手機、攝像機等便攜電子產(chǎn)品的普及將使鋰離子電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)入第二個(gè)黃金時(shí)期。比如，2004年94%的手機電池是鋰離子電池。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，對鋰離子電池的需求將日益旺盛，2005年預計達12億只[3]。從鋰離子電池的生產(chǎn)和銷(xiāo)售分布來(lái)看，在2000年以前，日本是鋰離子電池的最大生產(chǎn)和銷(xiāo)售國，市場(chǎng)占有率達到95%以上。但近年來(lái)隨著(zhù)中國和韓國的迅速崛起，日本一支獨秀的格局已經(jīng)被逐漸打破，預計2005年日本鋰離子電池的全球市場(chǎng)占有率將跌至50%以下。

1.1.2鋰離子電池管理芯片的重要性

在鋰離子電池的研究開(kāi)發(fā)中，提高使用安全性問(wèn)題一直是研究的重點(diǎn)。由于質(zhì)量比能量高，而且電解液大多為有機易燃物等，當電池熱量產(chǎn)生速度大于散熱速度時(shí)，就有可能出現安全性問(wèn)題。有研究指出，鋰離子電池在濫用時(shí)，有可能達到700°C以上的高溫，從而導致電池出現冒煙、著(zhù)火乃至爆炸；在過(guò)放電到低于1V時(shí)，正極表面將析出銅，造成電池內部短路；在過(guò)流情況下，電池內部溫度也極易升高，使電池性能惡化乃至損壞。圖1.1.1給出了在過(guò)充電和過(guò)放電情況下，鋰離子電池內部的化學(xué)反應及性能的變化，式中M代表Co、Al、Ni等金屬離子。



要提高鋰離子電池使用的安全性，除了進(jìn)行深入的機理研究，選擇合適的電極材料及優(yōu)化整體結構之外，還必須通過(guò)電池外圍的集成電路（IC）對電池進(jìn)行有效的管理。有報道稱(chēng)近年來(lái)，電池管理（Battery Management）芯片，無(wú)論是銷(xiāo)售額還是銷(xiāo)售量在功耗管理（Power Management）芯片中有望增長(cháng)得最快。鋰離子電池管理目標包含對電池電壓監測、充放電電流監測、溫度監測、數據計算以及存儲。管理芯片中，包括保護電路、燃料檢測電路以及能夠實(shí)行電池數據傳輸的系統被稱(chēng)為智能電池系統（Smart Battery System， SBS）。SBS電池組結構如圖1.1.2所示，它由溫度傳感器、能檢測雙向電流的電流檢測器、ADC、EEPROM存儲器、時(shí)鐘、狀態(tài)/控制電路、與主系統單線(xiàn)接口及地址、鋰離子電池保護電路等組成。其中由ADC轉換的數字量存儲在相應的存儲器內，通過(guò)單線(xiàn)接口與主系統連接，對內部存儲器進(jìn)行讀/寫(xiě)的訪(fǎng)問(wèn)及控制。SBS除了能對電池進(jìn)行有效地保護之外，還能輸出電池剩余能量信號（可用LCD顯示），這將是鋰離子電池管理芯片發(fā)展的主要目標。目前，SBS應用的協(xié)議發(fā)展到了SBdata1.1（數據協(xié)議）和SMbus2.0（總線(xiàn)協(xié)議），而在IBM和索尼等筆記本電腦中，有幾個(gè)型號已采用了基于電池保護電路的SBS.

在鋰離子電池管理芯片中，保護電路由于能夠實(shí)現對電池電壓、充放電電流監測，它既能單獨內置在鋰離子電池中，也能在SBS中充當二次保護電路用，更可貴的是，它能實(shí)現對Ni-Cd、Ni-H電池的同等保護，所以在電池管理芯片中占了很大的份額。

1.1.3電池管理芯片的發(fā)展現狀

目前，國外的Unitrode、Texas、Dallas等公司紛紛開(kāi)展了對鋰離子電池管理芯片的研究和開(kāi)發(fā)。和電池產(chǎn)量在全球市場(chǎng)占有率不斷下滑不同的是，日本的鋰離子電池管理芯片，尤其是保護電路的設計開(kāi)發(fā)，始終在全球占有主導地位。最著(zhù)名的產(chǎn)品是精工的S82系列、理光的R54系列和MITSUMI的MM3061系列等。其中，S82系列產(chǎn)品因為功能齊全、精度高和功耗低，被認為是鋰離子電池管理芯片設計的領(lǐng)跑者之一。而在中國，除了臺灣有個(gè)別單位已開(kāi)發(fā)出了功能較為簡(jiǎn)單的保護芯片外，近年來(lái)，雖然也有個(gè)別大陸單位開(kāi)始研究鋰離子電池保護電路，但都處于起步階段，精度低、沒(méi)有統一的保護標準。更主要的是，目前國內還沒(méi)有具有獨立自主產(chǎn)權的電路出現。

目前，為了在最長(cháng)的電池使用時(shí)間和最輕的重量之間取得平衡，越來(lái)越多的便攜式設備如手機、攝像機等都采用單節鋰離子電池作為主電源。目前單節鋰離子電池的管理芯片研究，重點(diǎn)在于：
①除了要對電池充電過(guò)程進(jìn)行有效管理外，還更迫切地需要實(shí)現對充電及使用過(guò)程的全程保護。這要求芯片不僅具有完備的保護功能，而且保護精度如電池電壓、延時(shí)時(shí)間的檢測和控制精度達到實(shí)用要求。

②應該盡可能地降低功耗以延長(cháng)供電電池的使用壽命。作為封裝后電池的一部分，芯片的驅動(dòng)始終來(lái)自被管理的電池，因此要求芯片要有足夠低的電流消耗。

作為一個(gè)數?；旌闲盘栯娐?，可以借鑒已有的一些功耗優(yōu)化方法，但是結合應用特點(diǎn)降低功耗，還要進(jìn)行更深入的理論探索。

因此，研究以單節鋰離子保護電路為代表的電池管理芯片的低功耗，從系統功能實(shí)現到數?；旌闲盘栯娐返凸牡脑O計，對電池管理芯片的設計乃至SBS的開(kāi)發(fā)都將有相當的借鑒作用。

1.2數?；旌闲盘栯娐返牡凸脑O計

1.2.1集成電路的低功耗設計動(dòng)因

在集成電路發(fā)展的早期到上世紀八十年代，功耗問(wèn)題并不是很突出。在這段時(shí)間內，由于電路系統規模普遍較小和CMOS工藝的興起，低功耗尚未被作為IC設計的重要因素。

在1968年，Intel公司的創(chuàng )始人之一G. Moore就預測，每18到24個(gè)月，IC的集成度將提高一倍，這就是著(zhù)名的Moore定律。而事實(shí)上，這四十多年來(lái)，IC技術(shù)就是基本上遵循著(zhù)Moore定律取得了巨大的發(fā)展。集成電路經(jīng)歷了從小規模集成（SSI）發(fā)展到超大規模（VLSI）到現在的甚大規模集成（ULSI），即一個(gè)芯片上可以包含一億以上的元件的水平。雖然量子效應和經(jīng)濟的限制將使IC集成度增長(cháng)的速度趨緩，但是可以預見(jiàn)的是，隨著(zhù)新技術(shù)的采用IC的集成度持續發(fā)展的勢頭將不會(huì )改變。同時(shí)，系統的復雜度也在不斷地提高，即將不同功能的器件和電路都集成到一個(gè)芯片上，構成一個(gè)系統集成芯片（SOC）。顯然，集成電路復雜度和集成度的提高使得低功耗正成為一個(gè)不可或缺的電路設計指標。

首先，過(guò)高的功耗將使芯片容易過(guò)熱，電路可靠性下降，最終導致失效。有研究表明，溫度每升高10 C，器件的故障率將提高兩倍；另外，不斷增高的功耗將給芯片的封裝和散熱提出了更高的要求，這不僅會(huì )增加成本，而且在小型化應用場(chǎng)合中，這種方案往往不被采納。

更重要的是，消費類(lèi)電子產(chǎn)品的發(fā)展和大量應用推動(dòng)了對功耗問(wèn)題的研究。

低功耗的概念是由電子手表等工業(yè)首次提出的，而在小型化、高集成度的消費類(lèi)電子產(chǎn)品中，為了降低電路成本、提高電路穩定性、可靠性，更需要設計低功耗電路，以保證在集成度提高時(shí)，單位面積維持同樣甚至更低的功耗。同時(shí)，因為在過(guò)去的三十年中電池的容量?jì)H僅增加了2～4倍，遠沒(méi)有VLSI技術(shù)的發(fā)展迅速，所以在電池供電系統中，集成電路的低功耗設計是延長(cháng)電池使用壽命的最有效手段。此外，便攜式設備趨于使用更少的電池，以減小尺寸和重量，也必然要求電路實(shí)現低功耗。和十年前相比，消費類(lèi)電子產(chǎn)品在電子產(chǎn)業(yè)中的比例已從40%快速增長(cháng)到55%，因此可以說(shuō)消費類(lèi)電子產(chǎn)品是低功耗設計的主要推動(dòng)力。