鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設計
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時(shí)間：2013-03-05
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
1.2.2數?；旌闲盘栯娐返牡凸难芯?br />
在這種技術(shù)需求和便攜式電子產(chǎn)品的應用需求的強烈推動(dòng)下，CMOS集成電路低壓低功耗設計受到了人們的極大重視。目前，人們對集成電路的功耗研究，主要集中在以下兩個(gè)方面：
一是低功耗工藝的研究。這主要集中在減小特征尺寸、降低電源電壓和降低閾值電壓方面。減小特征尺寸，有助于將復雜系統集成在同一芯片上，進(jìn)行有效地功耗管理。但是當特征尺寸縮小到一定程度，熱載流子效應、動(dòng)態(tài)節點(diǎn)的軟失效將極大地影響著(zhù)器件的性能，降低電源電壓成為解決上述問(wèn)題的較好方案。為了保證低壓邏輯電路的驅動(dòng)電流不減少和工作頻率不降低，在降低電源電壓的同時(shí)也要求降低閾值電壓，但是同比例降低閾值電壓會(huì )使漏泄電流指數級增加。采用多閾值電壓器件或是采用可變閾值電壓技術(shù)有望減小漏泄電流引起的功耗，而這些技術(shù)都比較依賴(lài)制造工藝。
二是低功耗設計方法的研究。這是目前低功耗研究中最為活躍的領(lǐng)域。在工藝確定的情況下，它包括低功耗的設計方法及評估方法，但主要是針對數字電路。
在保證系統同樣性能的前提下，在芯片設計的初期，就從各個(gè)層次對功耗進(jìn)行分析優(yōu)化，不僅能夠縮短設計周期，還能夠實(shí)現整體功耗最小化目標。從設計的角度，低功耗設計方法可以分成系統級（System Level）、算法/結構（Architecture/Algorithm Level）、寄存器傳輸級（Register Transfer Level， RTL）、邏輯/門(mén)級（Logic/Gate Level）、版圖級（Layout Level）這幾個(gè)層次。其中，系統及算法作為低功耗技術(shù)中的高層次，對系統功耗的影響很大。在這種層次上的功耗分析將能對系統功耗進(jìn)行預測及優(yōu)化，并能實(shí)現幾個(gè)數量級的功耗降低，因此必須加以重視。
有效的功耗評估工具和方法是低功耗研究的另一個(gè)重要內容。如何在設計的不同層次對電路功耗進(jìn)行快速準確地估計，也是集成電路設計中的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。通常，把功耗評估分為基于隨機統計和模擬的方法這兩類(lèi)。
基于隨機統計的功耗估算方法，其基本思想為：先根據模塊的版圖或邏輯描述，抽取電路或邏輯模型，然后用隨機產(chǎn)生的輸入流模擬，計算平均功耗。
它的優(yōu)點(diǎn)是速度較快，而且不需要電路內部信息，但功耗估算準確程度不及基于模擬的方法，因此適用于通常設計的早期階段。
基于模擬的功耗估算方法是用一組典型的輸入矢量進(jìn)行功耗模擬，以獲得平均功耗、最大功耗及最小功耗值?；谀M的方法精度高，但所占存儲空間和模擬時(shí)間較大，因此可以用一些啟發(fā)信息來(lái)加速收斂，如蒙特卡羅（Monte Carlo）
模擬方法和遺傳算法。其中，蒙特卡羅方法是在電路輸入端隨機產(chǎn)生輸入信號，再用模擬方法計算在某一時(shí)間間隔內的功耗。如果將現有的電路級、門(mén)級等模擬方法用于蒙特卡羅程序的內環(huán)，將能夠實(shí)現速度和計算精度的折衷。典型的基于模擬方法的功耗分析軟件有POWERMILL、Entice-Aspen等。
需要指出的是，目前的低功耗研究大多是對模擬和數字電路進(jìn)行分開(kāi)討論。這和模擬電路自身的特點(diǎn)密切相關(guān)。模擬集成電路和處理0或1信號的數字電路不同，它主要處理幅度、時(shí)間、頻率連續變化的信號，并且具有以下特點(diǎn)：
①電路形式的多樣性。包括數據轉換器（如A/D轉換器、D/A轉換器等）、運算放大器、線(xiàn)性放大器（低噪聲放大器、寬帶放大器等）、非線(xiàn)性放大器（模擬乘法器、對數/反對數放大器等）、多路模擬開(kāi)關(guān)、電源電壓調節器（線(xiàn)性調壓器、開(kāi)關(guān)電源控制器等）、智能功率IC以及各類(lèi)專(zhuān)用IC.
②性能指標的多樣性。包括精度、輸入范圍、失真、噪聲、電源電壓抑制比（PSRR）、增益、頻率帶寬、輸入/出阻抗等。
③電路結構的多樣性。僅以一個(gè)運放為例，就有兩級、Cascode、折疊式（Folded）Cascode、A/AB類(lèi)放大器、單端/差分放大器等眾多結構。
④器件的多樣性。常見(jiàn)的器件就有晶體管、二極管、電阻、電容、甚至電感等。
模擬電路處理信號的連續性、電路結構形式的多樣性、性能指標的精確性，都使得電路及版圖的設計必須圍繞具體電路展開(kāi)，設計的自動(dòng)化程度遠遠低于數字電路，而難度又遠高于后者。
雖然在數字時(shí)代，數字電路的設計方法、工藝條件都領(lǐng)先于模擬電路，數字IC的市場(chǎng)占有率也要高于模擬IC，但模擬電路畢竟是數字電路和現實(shí)世界的橋梁，所以它仍然有足夠的發(fā)展空間。另外，在實(shí)際的較高復雜度的系統中，總是把存儲電路、邏輯控制電路和模擬電路一起集成在同一芯片中，即所謂的數?；旌想娐?。CMOS工藝的成熟和在數字電路中的普遍應用，也要求系統中模擬電路工藝要和標準CMOS工藝相容，因此，模擬電路中包括功耗在內的性能將直接決定著(zhù)系統的性能。
在混合信號電路中，許多成功應用在數字電路中的低功耗技術(shù)，并不適合應用在模擬電路中。例如，降低電源電壓是減小功耗的有效方法，但對于模擬電路，正如文獻[16]所指出，對于給定的動(dòng)態(tài)范圍、增益和增益帶寬乘積，降低電源電壓將反而使功耗升高，這同時(shí)也說(shuō)明，在低電壓下實(shí)現低功耗，是以犧牲電路的一部分性能為代價(jià)的。因為模擬電路的性能不能脫離具體的電路來(lái)討論，所以有較多的文獻報道了低壓低功耗電路設計。
隨著(zhù)越來(lái)越多的電池供電數?；旌想娐返某霈F，上述傳統的設計方法受到了強烈的挑戰。低功耗必然要求對整個(gè)混合信號電路進(jìn)行統一的功耗管理，而不是將模擬、數字電路孤立開(kāi)來(lái)。從設計的角度，如何協(xié)同考慮數字、模擬電路的功耗，會(huì )遇到比純數字電路或純模擬電路更多的困難。因此，混合信號的低功耗研究開(kāi)始引起了人們的重視：文獻[17]在設計激光驅動(dòng)器時(shí)，曾利用數字信號控制電流開(kāi)關(guān)來(lái)減小功耗，但采用的是外加數字信號；文獻[18]、[19]提出了利用數字信號來(lái)控制模擬電路，但目的是減小電路噪聲而不是功耗。2001年清華大學(xué)提出了將數字電路的信號控制模擬電路的活動(dòng)，即所謂的Pulsed-Activation來(lái)節省系統的功耗[20]，但只是從電路上證明了這種方法的可行性，對如何有效地節省數?；旌舷到y的功耗，并沒(méi)有作進(jìn)一步的理論研究。應該看到，研究混合信號電路的低功耗，將涉及目前的模擬、數字低功耗設計的熱點(diǎn)領(lǐng)域，但也有很多問(wèn)題沒(méi)有解決，值得進(jìn)一步深化和完善。
1.3課題研究?jì)热菀约拔恼陆Y構
為了實(shí)現鋰電池管理芯片的保護功能及低功耗設計要求，本文的主要研究?jì)热轂椋簲的；旌想娐分械母鞑糠值牡凸脑O計及協(xié)同考慮方法；鋰離子電池管理芯片的保護功能設計及低功耗實(shí)現；電路設計和仿真，版圖實(shí)現以及包括功耗在內的后仿真驗證。
根據內容需要，本文研究的重點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面：
①數?；旌想娐分械牡凸姆椒ǚ治觯貉芯康凸牡奈墨I相當多，但大多數是將數字電路和模擬電路分開(kāi)來(lái)考慮的。作為一個(gè)實(shí)際的數?；旌舷到y，低功耗設計不能脫離系統應用的場(chǎng)合，而且又要有一定的可重用性，這有一定的難度，也有相當的挑戰性。
②鋰離子電池管理芯片的保護功能設計：針對鋰離子電池應用特點(diǎn)，設計出能對電池實(shí)施實(shí)時(shí)、有效保護的系統。
③面向鋰離子電池管理芯片低功耗實(shí)現：從應用場(chǎng)合出發(fā)，研究基于負載驅動(dòng)的數?；旌蠁涡酒到y的功耗優(yōu)化方法。
④版圖實(shí)現與結果驗證：包括版圖設計及后模擬驗證。其中，結果驗證包含兩方面：一是功能的準確性驗證，二是包含功耗在內的電學(xué)參數的精確性驗證，三是系統的可實(shí)現性驗證。
1.4本文的研究方案及意義
根據研究現狀和設計要求，本文擬采取的研究方案為：
①考慮到混合信號單芯片系統的要求，分別研究數字和模擬電路中的低功耗方法：其中亞閾值電路可以采用標準數字CMOS工藝，比較適合用在低速低電流消耗場(chǎng)合，所以將對亞閾值電路作較深入的理論研究和設計分析，包括失配、噪聲對功耗優(yōu)化的實(shí)際限制，設計時(shí)電路控制與判斷，以及對具體的亞閾值電路結構討論。
②鋰離子電池管理芯片的保護功能設計：包括實(shí)時(shí)的充放電壓檢測和控制，即能實(shí)現過(guò)放電保護、過(guò)充電保護、零伏充電電壓抑制；包括實(shí)時(shí)的雙向充放電電流檢測，即能實(shí)現過(guò)流的二級保護、短路保護、以及非正常充電電流保護；另外，當外置熱敏電阻時(shí)，能實(shí)現溫度的檢測和保護。
③數?；旌想娐返呢撦d驅動(dòng)型低功耗設計方法：分功耗建模、功耗管理策略以及實(shí)現三個(gè)部分討論。建立適用于管理芯片的功耗模型，對功耗管理策略分析比較后，采用實(shí)現簡(jiǎn)單控制容易的方法，并加以改進(jìn)，提出基于負載的功耗優(yōu)化方案。
④低功耗混合電路的版圖設計和性能功耗驗證：功能和電學(xué)參數可以通過(guò)電路級仿真軟件（如HSPICE、VERILOG、POWERMILL等）來(lái)直接驗證，并且和相關(guān)文獻的指標來(lái)進(jìn)行對比；運用CADENCE，完成系統版圖；通過(guò)從版圖提取參數，并通過(guò)后模擬來(lái)驗證系統的可實(shí)現性。
由上看出，本文的研究意義至少有以下幾方面：
①數?；旌想娐分械母鞑糠值牡凸睦碚摷皡f(xié)同考慮方法，是系統設計和功耗優(yōu)化的理論基礎。
②低功耗、高精度、小型化是當今電池管理芯片的發(fā)展趨勢，更是滿(mǎn)足應用的必然要求，研究電池管理芯片的低功耗有重要的實(shí)用價(jià)值。
③采用面向單芯片的混合電路的系統級動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)，不僅拓展了動(dòng)態(tài)功耗管理理論在純數字系統及實(shí)時(shí)嵌入式系統之外的應用，還能結合應用特點(diǎn)，克服原有的不足，發(fā)展新的內容。
④本文的研究?jì)热莺徒Y果對于其它電池管理類(lèi)芯片有相當的借鑒作用。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/175540.htm
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