鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設計案例

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