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展

1.1.1鋰離子電池的特點及應用

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領域。上世紀八十年代，研究的重點集中在可充電的鋰離子電池（Li-ion Battery）上，但并沒有成功解決電池的安全性問題。一直到1991年，Sony公司首次實現了鋰離子電池商業化，被認為是能源技術領域的一個重要的里程牌。

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（包括質量比能量和體積比能量）、更高的充放電循環、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展，現已成為通訊類電子產品的主要能源之一，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電子產品中[2]。如果將1997年以前適應筆記本電腦市場、降低電池成本、提高容量稱為鋰離子電池第一個黃金時期，那么在手機、攝像機等便攜電子產品的普及將使鋰離子電池產業進入第二個黃金時期。比如，2004年94%的手機電池是鋰離子電池。隨著技術的發展，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和銷售分布來看，在2000年以前，日本是鋰離子電池的最大生產和銷售國，市場占有率達到95%以上。但近年來隨著中國和韓國的迅速崛起，日本一支獨秀的格局已經被逐漸打破，預計2005年日本鋰離子電池的全球市場占有率將跌至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發中，提高使用安全性問題一直是研究的重點。由于質量比能量高，而且電解液大多為有機易燃物等，當電池熱量產生速度大于散熱速度時，就有可能出現安全性問題。有研究指出，鋰離子電池在濫用時，有可能達到700°C以上的高溫，從而導致電池出現冒煙、著火乃至爆炸；在過放電到低于1V時，正極表面將析出銅，造成電池內部短路；在過流情況下，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給出了在過充電和過放電情況下，鋰離子電池內部的化學反應及性能的變化，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，除了進行深入的機理研究，選擇合適的電極材料及優化整體結構之外，還必須通過電池外圍的集成電路（IC）對電池進行有效的管理。有報道稱近年來，電池管理（Battery Management）芯片，無論是銷售額還是銷售量在功耗管理（Power Management）芯片中有望增長得最快。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行電池數據傳輸的系統被稱為智能電池系統（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、時鐘、狀態/控制電路、與主系統單線接口及地址、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，通過單線接口與主系統連接，對內部存儲器進行讀/寫的訪問及控制。SBS除了能對電池進行有效地保護之外，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展的主要目標。目前，SBS應用的協議發展到了SBdata1.1（數據協議）和SMbus2.0（總線協議），而在IBM和索尼等筆記本電腦中，有幾個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電池管理芯片的發展現狀

目前，國外的Unitrode、Texas、Dallas等公司紛紛開展了對鋰離子電池管理芯片的研究和開發。和電池產量在全球市場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發，始終在全球占有主導地位。最著名的產品是精工的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跑者之一。而在中國，除了臺灣有個別單位已開發出了功能較為簡單的保護芯片外，近年來，雖然也有個別大陸單位開始研究鋰離子電池保護電路，但都處于起步階段，精度低、沒有統一的保護標準。更主要的是，目前國內還沒有具有獨立自主產權的電路出現。

目前，為了在最長的電池使用時間和最輕的重量之間取得平衡，越來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，重點在于：
①除了要對電池充電過程進行有效管理外，還更迫切地需要實現對充電及使用過程的全程保護。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、延時時間的檢測和控制精度達到實用要求。

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

作為一個數模混合信號電路，可以借鑒已有的一些功耗優化方法，但是結合應用特點降低功耗，還要進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，從系統功能實現到數模混合信號電路低功耗的設計，對電池管理芯片的設計乃至SBS的開發都將有相當的借鑒作用。

1.2數模混合信號電路的低功耗設計

1.2.1集成電路的低功耗設計動因

在集成電路發展的早期到上世紀八十年代，功耗問題并不是很突出。在這段時間內，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公司的創始人之一G. Moore就預測，每18到24個月，IC的集成度將提高一倍，這就是著名的Moore定律。而事實上，這四十多年來，IC技術就是基本上遵循著Moore定律取得了巨大的發展。集成電路經歷了從小規模集成（SSI）發展到超大規模（VLSI）到現在的甚大規模集成（ULSI），即一個芯片上可以包含一億以上的元件的水平。雖然量子效應和經濟的限制將使IC集成度增長的速度趨緩，但是可以預見的是，隨著新技術的采用IC的集成度持續發展的勢頭將不會改變。同時，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芯片上，構成一個系統集成芯片（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不可或缺的電路設計指標。

首先，過高的功耗將使芯片容易過熱，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，這不僅會增加成本，而且在小型化應用場合中，這種方案往往不被采納。

更重要的是，消費類電子產品的發展和大量應用推動了對功耗問題的研究。

低功耗的概念是由電子手表等工業首次提出的，而在小型化、高集成度的消費類電子產品中，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，單位面積維持同樣甚至更低的功耗。同時，因為在過去的三十年中電池的容量僅僅增加了2～4倍，遠沒有VLSI技術的發展迅速，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，也必然要求電路實現低功耗。和十年前相比，消費類電子產品在電子產業中的比例已從40%快速增長到55%，因此可以說消費類電子產品是低功耗設計的主要推動力。