鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設計 — 鋰離子電池管理芯片的功能設計及功耗優(yōu)化(二)

3.3鋰離子電池管理芯片的功耗優(yōu)化

從上面的分析可以看出，此芯片是一個(gè)連續工作的數?；旌舷到y，同時(shí)又以被監測的鋰離子電池為供電電源，因此必須能夠在電池電壓的整個(gè)變化范圍內正常工作。在實(shí)現電路功能并滿(mǎn)足檢測精度的前提下，為了盡可能延長(cháng)電池壽命，降低電路功耗成了另外一個(gè)重要的設計指標。由于控制邏輯部分屬于數字電路，其靜態(tài)功耗幾乎可以忽略，所以在優(yōu)化邏輯電路動(dòng)態(tài)功耗的前提下，如何降低模擬電路的靜態(tài)功耗并且限制低電壓下系統功耗成了設計重點(diǎn)。

3.3.1 DPM技術(shù)在數?；旌闲盘栂到y中，同樣可以采用數字電路的DPM技術(shù)來(lái)進(jìn)行功耗優(yōu)化。即根據負載和任務(wù)的變化，及時(shí)關(guān)掉暫時(shí)不工作、也不影響整個(gè)系統輸出的電路部分，從而減小系統功耗。和傳統DPM理論相比，混合信號電路中的控制對象不再是數字電路而是模擬電路，這樣也能夠更有效地節省系統靜態(tài)功耗。然而，目前的DPM理論還大多數集中在純數字電路系統、或是多媒體、無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域。面向電池管理芯片的混合信號電路DPM理論還未見(jiàn)報道。

一般地，系統受外界負載信號的激勵做出響應，為了響應任務(wù)而需要消耗能量。由于負載信號的到來(lái)相互間沒(méi)有聯(lián)系，沒(méi)有任何特征，一般也不遵從一定的概率分布。在不能預知負載特性的情況下，系統必須能檢測并且判斷負載性質(zhì)，根據合理的DPM策略來(lái)決定系統內部模塊的工作狀態(tài)。因此，可以先從功耗管理器（Power Manager， PM）的系統抽象結構入手，再進(jìn)一步研究管理器的內部組成及實(shí)現。

1 PM抽象結構

按照相應功耗管理實(shí)現的物理層次，可以分為內部PM和外部PM兩類(lèi)。



圖3.3.1給出了外部功耗管理結構。圖中，在原有工作系統外部，增加了功耗管理部分（虛線(xiàn)框中所示），其中，檢測電路（Observer）收集負載信息，控制器（Controller）產(chǎn)生強制功耗狀態(tài)變化的控制信號?？刂破骺梢允且粋€(gè)可編程的微控制器，或者是一個(gè)狀態(tài)機，它既可以位于內部邏輯中，有時(shí)也可以作為一個(gè)單獨的微處理器存在。圖3.3.1所示的外部PM一般由軟件實(shí)現，由于它能對系統和負載進(jìn)行準確的實(shí)時(shí)檢測，所以可以采用較復雜的功耗管理策略，功耗優(yōu)化效果較佳，常用于較為復雜的系統如嵌入式系統。外部PM的缺點(diǎn)是速度較慢，增加了外部與系統之間接口的設計復雜程度，軟硬件綜合代價(jià)未必最佳。內部管理器則一般由系統內部硬件實(shí)現，因此功耗管理速度較快，對外接口簡(jiǎn)單，但是在檢測整個(gè)系統的工作狀態(tài)時(shí)有一定的局限性，通常只能采用較為簡(jiǎn)單的DPM策略。

DPM工作流程圖如圖3.3.2所示。從圖中可以清楚地看到，當系統啟動(dòng)后，由檢測電路來(lái)檢測系統負載的狀態(tài)和性質(zhì)，然后根據不同的策略估算功耗狀態(tài)，如果不需要關(guān)斷模塊則繼續檢測負載，如果需要功耗管理，則由控制器產(chǎn)生用于關(guān)斷相應模塊的控制信號。



綜上所述，一個(gè)DPM體系的選擇和實(shí)現，顯然首先需要建立系統功耗或者性能以及負載的模型，然后再根據相應的判決策略產(chǎn)生控制信號。下面，就將從PM實(shí)現的層次，從功耗建模、判決策略、體系實(shí)現這三個(gè)方面分別討論。

2功耗建模

功耗建?？梢越梃bDPM中實(shí)時(shí)嵌入式系統的建模方法，將電池管理芯片定義為普通的功耗管理系統。這個(gè)系統由一系列相互影響的受功耗管理器控制的功耗管理組件（Power Management Component， PMC）組成。這種定義是普遍意義上的，在系統級層次，PMC可以是芯片中的一個(gè)系統功能模塊。為了實(shí)現更有效的DPM策略，并不需要了解PMC內部結構，只需要關(guān)心它們與外界如何相互作用。這種方法將有助于更好地理解PM和PMC之間需要交換怎樣的信息。

在設計時(shí)，非功耗管理組件的目標僅是在特定的功耗預算下實(shí)現性能，而PMC才可以在高性能高功耗和低性能低功耗之間自由地轉換，從而達到功耗與性能的折衷。

PMC的一個(gè)基本特征是，它有多種功耗模式，且各種模式之間的轉換也可能引起延遲或性能下降。模式數量增多雖然可以更精確地控制PMC的狀態(tài)，使浪費的功耗最小，性能調整達到最佳，但在實(shí)際應用中為了不使設計難度過(guò)大，以及實(shí)現PM的硬件代價(jià)過(guò)大，一般都要選擇適當的PMC功耗模式數。

PMC模型可以由功耗狀態(tài)機（Power State Machine， PSM）來(lái)描述，PSM中的狀態(tài)即是PMC各種工作模式，模式之間的轉換有功耗或延遲。為簡(jiǎn)化模型，電池管理芯片的PMC的功耗狀態(tài)可由圖3.3.3所示的PSM表征。



圖3.3.3所示的PMC可以有兩種狀態(tài)：一種是ON，此時(shí)PMC正常工作，功率消耗正常；另一種是OFF，PMC被關(guān)斷，功耗較低。功耗狀態(tài)的轉變通常是要以犧牲性能和功耗為代價(jià)的。比如，如果進(jìn)入低功耗狀態(tài)需要關(guān)斷供電電源，那么從低功耗狀態(tài)恢復則通常需要一定的時(shí)間，這個(gè)延時(shí)要用來(lái)使電源電壓/時(shí)鐘穩定，或重新初始化系統，或者進(jìn)行狀態(tài)的重新存儲。簡(jiǎn)而言之，需要有一定的策略來(lái)決定PMC何時(shí)、是否值得進(jìn)入低功耗狀態(tài)；在復雜的多種功耗狀態(tài)系統中，則還要選擇進(jìn)入何種低功耗狀態(tài)。

需要指出的是，系統及內部組件的模型都可以由PSM來(lái)描述，但是負載的模型變化相對復雜，比如將從Timeout策略中的簡(jiǎn)單假設變化到復雜的隨機模型。

但是無(wú)論是哪種情況，在高效的功耗管理策略中，都離不開(kāi)負載的信息。

3功耗管理策略

從上面的分析可以看出：首先，功耗優(yōu)化是基于性能約束條件下的功耗優(yōu)化，反之也成立；其次，一個(gè)有效的功耗管理方案取決于系統和負載的特性。目前，已有的DPM技術(shù)和優(yōu)化策略可以分為非適應性和適應性的兩大類(lèi)。其中，非適應性的DPM技術(shù)以基于Timeout策略的為代表，而后者以基于預估算策略、隨機控制策略的為代表。

1）Timeout策略

DPM判決策略中，Timeout策略是空閑狀態(tài)在等待一段時(shí)t timeout后關(guān)閉。其算法表述如下：

Timeout PM （）

{

Begin

Initiate t_timeout

If t_idle > t_timeout then shutdown

Stay in sleep until request！=0

End

}

Timeout策略中，假定Pr是退出低功耗狀態(tài)所消耗的功率，t_r是相應延遲，則E _r =P_rt_r是退出低功耗的能量，Pi是處于空閑狀態(tài)時(shí)的功率，則定義一個(gè)空閑等待時(shí)間閾值t_timeout



顯然，當等待時(shí)間超過(guò)閾值時(shí)，進(jìn)入低功耗狀態(tài)能節約更多的能量。該策略的思路比較簡(jiǎn)單，當進(jìn)入空閑的同時(shí)開(kāi)始計時(shí)，在閾值時(shí)間t_timeout之前不關(guān)閉，到達閾值后才關(guān)閉PMC進(jìn)入低功耗狀態(tài)，直到接收到外界輸入的任務(wù)后再返回工作狀態(tài)。

由此看出，Timeout策略有比較鮮明的特點(diǎn)：首先，時(shí)間閾值t_timeout非常重要，合理的設置閾值將顯著(zhù)提高關(guān)斷的正確性，假設的可信度甚至可達95%.此外，和基于預測和基于隨機控制的策略相比，Timeout策略的應用相對簡(jiǎn)單?；陬A測的策略是通過(guò)學(xué)習任務(wù)的分布，在輸入特性和系統性能的基礎上動(dòng)態(tài)地改變閾值，即是通過(guò)預測來(lái)消除負載的不確定性?；陬A測的策略中，如果參數較多，則將增大調整的難度，而且它不能很好地控制系統性能的損失?；陔S機控制的策略是將PM看作是一系列隨機最優(yōu)化問(wèn)題，所涉及的系統一般有多種功耗狀態(tài)而不僅僅兩種狀態(tài)的轉換。在較為復雜的多媒體、無(wú)信通信領(lǐng)域，上述兩種策略雖然增加了系統的軟硬件或性能的代價(jià)，但是和節省的功耗相比還是值得的。但在單芯片系統中，受成本和性能的限制，由于Timeout策略比較容易實(shí)現，用內部PM實(shí)現時(shí)所增加的軟硬件負擔相對不大，而且功耗節省明顯，因此比較受到重視。本文研究的電池管理芯片是一個(gè)實(shí)時(shí)系統，保護功能的實(shí)現依賴(lài)于對供電電池狀態(tài)的檢測，采用基于Timeout的策略進(jìn)行功耗管理，從成本、代價(jià)以及可行性方面，都是一個(gè)比較好的選擇。

但是，Timeout策略有以下缺點(diǎn)：一是關(guān)斷與否與負載的性質(zhì)和狀態(tài)無(wú)關(guān)，而僅僅根據任務(wù)請求來(lái)決定，這顯然不能滿(mǎn)足鋰離子電池管理芯片的應用要求；二是在等待激發(fā)Timeout策略的過(guò)程中，仍然有較大的功率消耗，如果能采用預關(guān)斷策略，即在系統已經(jīng)歷的時(shí)間和負載性質(zhì)確定的基礎上，在等待開(kāi)始時(shí)就關(guān)閉，這樣就可以節省等待期間的功耗。針對上述Timeout策略的缺點(diǎn)，本文提出了一種基于負載驅動(dòng)的預關(guān)斷Timeout策略。

2）基于負載驅動(dòng)的預關(guān)斷Timeout策略

一般地，根據負載性質(zhì)，假定PMC有L種功耗狀態(tài)，其中L是對應完全工作狀態(tài)，1，…，L-1是不同的睡眠狀態(tài)，則P_l（l=1，…，L-1）是對應不同狀態(tài)的功耗，從l（l=1，…，L）到m（m=1，…，L，m≠l）不同狀態(tài)之間轉換將有能量和延遲的代價(jià)，分別是功耗P^t_l,m和延遲t_l,m 。為分析簡(jiǎn)便，在狀態(tài)變化為從l（l=2，…，L）到m（m﹤₁)，功耗和延遲都很低，可以忽略不計。

再定義一個(gè)參數Z_l（l=1，…，L-1），它是為了獲得正的能量必須維持在l狀態(tài)的時(shí)間，則有



式中，等式左項代表的是維持在l狀態(tài)比在l+1狀態(tài)時(shí)，能夠節省的能量值，右項表示從l到L以及l(fā)+1到L的狀態(tài)轉變間的差值，因此有



前面已提出，結合應用要求和功耗管理成本，規定電池管理芯片的PMC，只有兩種功耗狀態(tài)，因此有L=2，其中l=1代表關(guān)狀態(tài)，l=2代表開(kāi)狀態(tài)。當l=1時(shí)，式（3.3.3）變?yōu)?br />


可以用式（3.3.4）描述常規的Timeout策略：當空閑時(shí)間t idle比空閑等待時(shí)間閾值t 1長(cháng)時(shí)，此策略便假定，在t 1 +Z 1時(shí)間段內仍有可能保持空閑，此時(shí)關(guān)斷顯然可以節省功耗。而事實(shí)上，在能夠檢測到負載特性的基礎上，對于可以處于空閑狀態(tài)而不影響輸出狀態(tài)的部分電路，只要滿(mǎn)足t_idle> Z1，就可以在空閑等待開(kāi)始便被關(guān)斷。

可以從負載、器件和功耗狀態(tài)的角度，分析比較常見(jiàn)的Timeout策略和基于負載驅動(dòng)的預關(guān)斷Timeout策略，結果如圖3.3.4所示。



圖3.3.4（a）中，t 1為等待閾值時(shí)間值，T_sd和T_wu是狀態(tài)轉變對應的延遲，功耗狀態(tài)的轉換只是根據任務(wù)請求；圖3.3.4（b）所示的Timeout策略中，功耗狀態(tài)的轉換是基于負載性質(zhì)和電路狀態(tài)的判別，所以可以在等待開(kāi)始時(shí)就關(guān)斷相應電路，此時(shí)系統代價(jià)僅是功耗轉換之間的延遲。顯然，和常規策略相比，基于負載驅動(dòng)的預關(guān)斷Timeout策略可以節省更多的功耗。

4 DPM技術(shù)實(shí)現框圖如前所述，假設電池管理芯片的PMC具有兩種功耗狀態(tài)，系統的PSM就可以如圖3.3.5所示。系統有三種功耗狀態(tài)：一是所有功能模塊都正常工作的狀態(tài)，所消耗功率為正常（Normal），二是根據負載特性動(dòng)態(tài)地關(guān)閉部分功耗較大的功能模塊，即較低功耗狀態(tài)（Partly Shutdown）最后是將系統電源及時(shí)切斷，最低功耗狀態(tài)也就是Power Down模式。



為了實(shí)現圖3.3.5所示的系統PSM，在原系統框架的基礎上，本文設計了一個(gè)內部PM，并且采用基于負載的預關(guān)斷Timeout功耗管理策略?xún)?yōu)化功耗，如圖3.3.6所示。



從外部和內部PM的分析比較可以看出，在能夠準確地檢測出負載性質(zhì)和系統狀態(tài)的前提下，鋰離子電池管理芯片采用內部PM，將能夠以較小的硬件代價(jià)實(shí)現快速、靈活的動(dòng)態(tài)功耗管理。圖3.3.6中的PM由負載檢測電路、PM控制器組成。其中，控制器是一個(gè)狀態(tài)機，為了盡量減小系統PM控制電路的代價(jià)，將其置于系統原有的邏輯電路中，這樣也能保證不影響系統其它功能。

PM具體的工作過(guò)程如下：利用檢測充放電電流的VM端，設計一個(gè)比較器，根據VM端電壓極性來(lái)判斷所接負載特性，內部功耗控制邏輯電路接收比較器輸出信號后，則輸出相應的控制信號，然后將此時(shí)系統中電流消耗較大，但又可以處于空閑狀態(tài)的模擬電路關(guān)斷。在內部PM中，所有模擬電路的關(guān)斷都可以由一個(gè)MOS開(kāi)關(guān)管控制，DPM信號由控制器輸出，控制開(kāi)關(guān)管的導通，從而在需要時(shí)能切斷電路與電源或到地的通路。

鋰離子電池管理芯片的DPM工作流程見(jiàn)圖3.3.7.在圖3.3.7（a）中，利用系統檢測模塊實(shí)時(shí)監測負載，并判斷負載是放電負載還是充電器。接負載放電時(shí)，如果電池處于過(guò)充電狀態(tài)，則不啟動(dòng)DPM，所有功能模塊都正常工作；如果電池不是過(guò)充電，則將充電電壓取樣電路關(guān)閉，換句話(huà)說(shuō)，此時(shí)系統將對過(guò)充電狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測以節省功耗：如果所接的是充電器，則同樣需要預先判斷是否過(guò)放，是過(guò)放狀態(tài)則不啟動(dòng)DPM，否則將過(guò)放電電壓取樣電路關(guān)閉，此時(shí)系統不再認為電池還會(huì )處于過(guò)放狀態(tài)。圖3.3.7（b）則是利用電池在過(guò)放狀態(tài)下，根據VM與VDD間的壓降決定是否進(jìn)入Power Down狀態(tài)，即關(guān)閉系統電源以維持極低的電流消耗。

從流程圖中還可以看出，正是基于負載的預關(guān)斷Timeout策略，鋰離子電池管理芯片的DPM實(shí)現對于不同的負載是有差別的：在負載為充電器時(shí)，經(jīng)過(guò)放電檢測延時(shí)時(shí)間t_DL后，系統決定是否采用功耗管理；而所接負載是充電器時(shí)，則要在過(guò)充電檢測延時(shí)時(shí)間t_CU后，再決定是否可以預關(guān)斷。這種差別產(chǎn)生的本質(zhì)在于，面向鋰電池管理芯片的這種Timeout策略不僅需要對負載做出判別，還要利用系統的工作狀態(tài)，選擇需要功耗管理的相應模塊。

3.3.2電路級的功耗優(yōu)化1亞閾值電路的優(yōu)缺點(diǎn)正如第二章所指出，在現有的模擬電路低功耗技術(shù)中，亞閾值電路有著(zhù)特殊的地位和作用，在一些對速度要求不是很高的低功耗場(chǎng)合，亞閾值電路是一種較好的選擇。



表3.1列舉了亞閾值電路的優(yōu)缺點(diǎn)。在給定的電源電壓范圍下，亞閾值MOS管的飽和電壓約為100mV，這將大大提高電路的動(dòng)態(tài)范圍，也說(shuō)明在低電壓下電路仍有較好的動(dòng)態(tài)特性；低的漏電流也增加了它在低電流功耗系統中的優(yōu)越性。此外在高頻時(shí)，R_N正比于1/g_m，而亞閾值區的g_m/I_D最大，所以此時(shí)噪聲最??；在低頻時(shí)，閃爍噪聲占主要地位，而且R_N與I_D無(wú)關(guān)，因此在同樣的I_D下，亞閾值MOS管較高的W/L也意味著(zhù)更低的R_N。

另外，亞閾值MOS管的柵極傳輸特性具有斜率因子為n的指數關(guān)系。源極傳輸特性與雙極晶體管相同，并且其特性可以用柵壓來(lái)調節，所以在有些情況下，可以用MOS管代替實(shí)現類(lèi)似雙極晶體管所能實(shí)現的功能。

2電路設計中的控制和判斷

從電路設計角度，不僅需要控制及判斷MOS管的工作區域，還需要掌握各工作區域的特征參數，下面分別進(jìn)行討論。

對于MOS管，其工作區域主要有線(xiàn)性區（可變電阻區）、飽和區和亞閾值區，根據MOS管在模擬電路中的功能不同，其工作區域的設定顯得尤為重要。通常情況下，如恒流源電路等，MOS管工作在飽和區；在個(gè)別情況下，MOS管工作在線(xiàn)性區，主要當作電阻使用，特別是大電阻，其明顯的優(yōu)點(diǎn)是占用較小的版圖面積，而且相對來(lái)講，比電阻的工藝漂移??；此外，對于MOS工作在亞閾值區的情況，在功耗要求特別低的場(chǎng)合，將能解決實(shí)際問(wèn)題。對MOS管的工作區域設定應滿(mǎn)足以下要求：

①若要求MOS管工作在飽和區，理論上要保證V_GS>V_TH及V_DS≥V_GS -V_TH；

②若要求MOS管工作在線(xiàn)性區，要保證V_GS>V_TH及0﹤V_GS﹤V_GS-V_TH；

③若要求MOS工作在亞閾區，則要保證柵壓滿(mǎn)足0﹤V_GS﹤V_TH

但在實(shí)際應用時(shí)，當V GS與V TH值相差不大時(shí)，MOS管將工作在亞閾值區與強反型區的過(guò)渡狀態(tài)，嚴重影響電路的性能。將電路的工作狀態(tài)分為弱反型、中等反型和強反型，各個(gè)狀態(tài)之間的界限可根據電壓或電流來(lái)估計，其方法描述如下：

①電壓估計法

a）當V_GS〉V_TH+100mV，為強反型；

b）當V_TH +100mV>V_GS>V_TH -100mV，為中等反型；

c）當V_GS﹤V_TH-100mV為弱反型；

②電流估計法

a）當I_D〉10I_S

b）當10I_S>ID>0.1I_S，為中等反型；

c）當I_D﹤0.1I_S,為弱反型

其中，I_S被稱(chēng)為中等反型特征電流，其表達式如下：



對于W/L=1的NMOS管，I S的典型值從100nA到500nA之間；對于W/L=1的PMOS管，I_S的典型值從40nA到120nA之間。對本設計所使用的工藝，可以計算出寬長(cháng)比為10u/10u時(shí)，P管的亞閾值特征電流I SP約為120nA，N管的特征電流I SN約為230nA.涉及弱反型MOS管的特征參數還有：

①輸出電阻考慮溝道長(cháng)度效應的傳統方法是在漏電流方程后乘上（1+V_DS /V_A），因此



V_A為弱反型的歐拉電壓。因此，弱反型 MOS 管的輸出電阻為



對于給定尺寸的器件，當工作區域從強反型變化到弱反型時(shí)，漏電流將下降，對應輸出電阻將增加。

②跨導g_m

由弱反型MOS管的漏電流方程，很容易推出其跨導為



③體跨導g_mb

體跨導的定義為



通常g_mb被表示成g_m的一部分，即



對于V_SB很小時(shí)



在弱反型區有



由于k隨著(zhù)V_SB增大而增大，一個(gè)較為合理的取值為：



3.4小結

本章從系統層次，討論了鋰離子電池管理芯片中的功能設計和功耗優(yōu)化。

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)及難點(diǎn)。提出了實(shí)時(shí)完整的保護功能設計目標后，給出了系統框圖。

功耗優(yōu)化是鋰離子電池管理芯片的一個(gè)重要目標?；旌闲盘栃酒?，DPM技術(shù)同樣可以由三要素構成：功耗模型、判決策略及電路實(shí)現。本章在系統組件的功耗模型基礎上，給出了系統的功耗狀態(tài)機圖。確定判決策略時(shí)，雖然基于預估算和隨機控制的策略在一定程度上，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的策略簡(jiǎn)單有效，所增加的硬件成本有限而有更大的應用前景，但是由于傳統的Timeout策略不涉及負載性質(zhì)，對功耗優(yōu)化有很大的不確定性，而且在等待期間的功耗也不容忽視，所以本文提出了基于負載的預關(guān)斷Timeout策略。然后，本章還給出了系統級DPM實(shí)現框圖，并提出了能實(shí)現兩級功耗管理的DPM工作流程，具體的電路將在下一章給出。

此外，基于亞閾值電路在低電流消耗場(chǎng)合的綜合表現，對工作在亞閾值區的MOS管作了進(jìn)一步的分析討論，并提出了設計中工作狀態(tài)的判斷標準及控制方法。

本章是后面低功耗電路實(shí)現及驗證的功能設計目標和功耗管理基礎。