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容和取得的成果作了簡(jiǎn)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(lái)，隨著(zhù)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(gè)重要的設計要素。

在采用電池供電的消費類(lèi)產(chǎn)品中，集成電路的低功耗設計更是延長(cháng)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、數字電路進(jìn)行分開(kāi)討論，研究得較多也較為成熟的是數字電路低功耗理論。由于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，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(gè)實(shí)際的系統，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?；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(shí)際功耗限制，協(xié)同考慮數字、模擬電路的功耗，實(shí)現系統層次的統一功耗管理，具有很大的挑戰性。

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功能的電池管理芯片。

這類(lèi)管理芯片通常屬于數?；旌舷到y，它不僅要求能實(shí)現對電池的高精度保護，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、輕重量的便攜設備中，單節鋰離子電池具有很大的應用前景，因此設計單節鋰離子電池的管理芯片的保護功能，研究單芯片數?；旌想娐返墓膬?yōu)化方法，具有重要的實(shí)踐指導意義和應用價(jià)值。

本文從低功耗設計方面，對混合信號中的數字電路、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)同考慮數字、模擬電路功耗的思路和方法；針對單節鋰離子電池管理芯片的低功耗、高精度要求，進(jìn)行了保護功能設計，提出了基于負載的系統級動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)，給出了電路實(shí)現和系統版圖，并通過(guò)后模擬驗證了功能和包括功耗在內的電學(xué)參數指標。

本文的主要工作及研究成果可以總結為：

1、對低功耗設計方法進(jìn)行了研究。

數字電路的低功耗設計方面，討論了基本的功耗方程，簡(jiǎn)要總結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、
• 負載電容、
• 工作頻率和工作的電源電壓；

重點(diǎn)從電路設計層次，討論了系統結構級、寄存器傳輸級、邏輯/門(mén)級、版圖級的數字電路低功耗設計方法，提出在系統級進(jìn)行功耗優(yōu)化，將取得更顯著(zhù)的效果。模擬電路的低功耗設計方面，對模擬電路實(shí)現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)分析了設計中的實(shí)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學(xué)表達式；總結了亞閾值電路、電流模式、浮柵技術(shù)、體驅動(dòng)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(jìn)行了數學(xué)描述，分析比較了四種方案的適用性，指出在標準的數字電路工藝模式下，亞閾值電路是低功耗模擬電路的較佳選擇。數?；旌闲盘柕凸脑O計方面，設計了將數字電路和模擬電路協(xié)同考慮的數?；旌想娐返凸耐貥憬Y構；提出了在按傳統方法對兩部份分別進(jìn)行功耗優(yōu)化后，再將數字電路的動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)推廣到整個(gè)混合信號系統，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(kāi)關(guān)電路實(shí)現方案作了分析比較。

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

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

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

功耗優(yōu)化分為系統級和電路級。系統級功耗優(yōu)化中，提出可以從功耗建模、判決策略、電路實(shí)現三個(gè)層次，討論適用于單芯片的混合信號系統動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)；在對系統組件的分析建?；A上，給出了系統組件和系統的功耗狀態(tài)機圖。簡(jiǎn)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，雖然能更好地根據負載變化控制系統功耗，但是所增加的軟硬件成本使得它們更適用在實(shí)時(shí)嵌入式系統中；對于單芯片系統，基于Timeout方法因為控制簡(jiǎn)單有效，所增加的硬件成本有限而更有實(shí)用價(jià)值；本文還針對傳統的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(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載的預關(guān)斷Timeout方法；本文還建立了系統級的功耗管理框圖，并給出了能實(shí)現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(mǎn)足應用要求，對工作在亞閾值區的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(shí)現進(jìn)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(shí)現層次，模擬電路和數字電路模塊可以分別設計驗證。數字模塊設計中，分析了系統的有限狀態(tài)機模型，同時(shí)在上一章所提出的功耗管理模型基礎上，設計了延時(shí)模塊和邏輯控制模塊，不僅能完成系統所需要的基本功能，而且能及時(shí)檢測負載性質(zhì)和狀態(tài)，由數字電路內部輸出相應的功耗管理信號。模擬電路模塊設計時(shí)，首先對電源管理芯片中的極其重要的基礎電路進(jìn)行了深入討論；采用線(xiàn)性電路實(shí)現了電源電壓取樣；從降低數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(jìn)一步提高所用工藝實(shí)現的可能性，重點(diǎn)設計了無(wú)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(guò)充比較器的設計，對其它的比較器電路有一定的實(shí)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(jìn)行了分析設計和研究。

討論了