鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設計
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1.2.2數?；旌闲盘栯娐返牡凸难芯?br />
在這種技術需求和便攜式電子產品的應用需求的強烈推動下，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、動態節點的軟失效將極大地影響著器件的性能，降低電源電壓成為解決上述問題的較好方案。為了保證低壓邏輯電路的驅動電流不減少和工作頻率不降低，在降低電源電壓的同時也要求降低閾值電壓，但是同比例降低閾值電壓會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有望減小漏泄電流引起的功耗，而這些技術都比較依賴制造工藝。
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，就從各個層次對功耗進行分析優化，不僅能夠縮短設計周期，還能夠實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/門級（Logic/Gate Level）、版圖級（Layout Level）這幾個層次。其中，系統及算法作為低功耗技術中的高層次，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行預測及優化，并能實現幾個數量級的功耗降低，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重要內容。如何在設計的不同層次對電路功耗進行快速準確地估計，也是集成電路設計中的一個熱點和難點問題。通常，把功耗評估分為基于隨機統計和模擬的方法這兩類。
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，然后用隨機產生的輸入流模擬，計算平均功耗。
它的優點是速度較快，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間較大，因此可以用一些啟發信息來加速收斂，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生輸入信號，再用模擬方法計算在某一時間間隔內的功耗。如果將現有的電路級、門級等模擬方法用于蒙特卡羅程序的內環，將能夠實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行分開討論。這和模擬電路自身的特點密切相關。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、時間、頻率連續變化的信號，并且具有以下特點：
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、線性放大器（低噪聲放大器、寬帶放大器等）、非線性放大器（模擬乘法器、對數/反對數放大器等）、多路模擬開關、電源電壓調節器（線性調壓器、開關電源控制器等）、智能功率IC以及各類專用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。僅以一個運放為例，就有兩級、Cascode、折疊式（Folded）Cascode、A/AB類放大器、單端/差分放大器等眾多結構。
④器件的多樣性。常見的器件就有晶體管、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，設計的自動化程度遠遠低于數字電路，而難度又遠高于后者。
雖然在數字時代，數字電路的設計方法、工藝條件都領先于模擬電路，數字IC的市場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世界的橋梁，所以它仍然有足夠的發展空間。另外，在實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，即所謂的數模混合電路。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，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，對于給定的動態范圍、增益和增益帶寬乘積，降低電源電壓將反而使功耗升高，這同時也說明，在低電壓下實現低功耗，是以犧牲電路的一部分性能為代價的。因為模擬電路的性能不能脫離具體的電路來討論，所以有較多的文獻報道了低壓低功耗電路設計。
隨著越來越多的電池供電數模混合電路的出現，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混合信號電路進行統一的功耗管理，而不是將模擬、數字電路孤立開來。從設計的角度，如何協同考慮數字、模擬電路的功耗，會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始引起了人們的重視：文獻[17]在設計激光驅動器時，曾利用數字信號控制電流開關來減小功耗，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年清華大學提出了將數字電路的信號控制模擬電路的活動，即所謂的Pulsed-Activation來節省系統的功耗[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，并沒有作進一步的理論研究。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領域，但也有很多問題沒有解決，值得進一步深化和完善。
1.3課題研究內容以及文章結構
為了實現鋰電池管理芯片的保護功能及低功耗設計要求，本文的主要研究內容為：數模混合電路中的各部分的低功耗設計及協同考慮方法；鋰離子電池管理芯片的保護功能設計及低功耗實現；電路設計和仿真，版圖實現以及包括功耗在內的后仿真驗證。
根據內容需要，本文研究的重點集中在以下幾個方面：
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來考慮的。作為一個實際的數模混合系統，低功耗設計不能脫離系統應用的場合，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，設計出能對電池實施實時、有效保護的系統。
③面向鋰離子電池管理芯片低功耗實現：從應用場合出發，研究基于負載驅動的數?；旌蠁涡酒到y的功耗優化方法。
④版圖實現與結果驗證：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參數的精確性驗證，三是系統的可實現性驗證。
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、噪聲對功耗優化的實際限制，設計時電路控制與判斷，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：包括實時的充放電壓檢測和控制，即能實現過放電保護、過充電保護、零伏充電電壓抑制；包括實時的雙向充放電電流檢測，即能實現過流的二級保護、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，能實現溫度的檢測和保護。
③數模混合電路的負載驅動型低功耗設計方法：分功耗建模、功耗管理策略以及實現三個部分討論。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，采用實現簡單控制容易的方法，并加以改進，提出基于負載的功耗優化方案。
④低功耗混合電路的版圖設計和性能功耗驗證：功能和電學參數可以通過電路級仿真軟件（如HSPICE、VERILOG、POWERMILL等）來直接驗證，并且和相關文獻的指標來進行對比；運用CADENCE，完成系統版圖；通過從版圖提取參數，并通過后模擬來驗證系統的可實現性。
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同考慮方法，是系統設計和功耗優化的理論基礎。
②低功耗、高精度、小型化是當今電池管理芯片的發展趨勢，更是滿足應用的必然要求，研究電池管理芯片的低功耗有重要的實用價值。
③采用面向單芯片的混合電路的系統級動態功耗管理技術，不僅拓展了動態功耗管理理論在純數字系統及實時嵌入式系統之外的應用，還能結合應用特點，克服原有的不足，發展新的內容。
④本文的研究內容和結果對于其它電池管理類芯片有相當的借鑒作用。本文引用地址：http://www.104case.com/article/175540.htm
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