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，此芯片是一個連續(xù)工作的數(shù)模混合系統(tǒng)，同時又以被監(jiān)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變化范圍內(nèi)正常工作。在實現(xiàn)電路功能并滿足檢測精度的前提下，為了盡可能延長電池壽命，降低電路功耗成了另外一個重要的設計指標。由于控制邏輯部分屬于數(shù)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(tǒng)功耗成了設計重點。

3.3.1 DPM技術在數(shù)模混合信號系統(tǒng)中，同樣可以采用數(shù)字電路的DPM技術來進行功耗優(yōu)化。即根據(jù)負載和任務的變化，及時關掉暫時不工作、也不影響整個系統(tǒng)輸出的電路部分，從而減小系統(tǒng)功耗。和傳統(tǒng)DPM理論相比，混合信號電路中的控制對象不再是數(shù)字電路而是模擬電路，這樣也能夠更有效地節(jié)省系統(tǒng)靜態(tài)功耗。然而，目前的DPM理論還大多數(shù)集中在純數(shù)字電路系統(tǒng)、或是多媒體、無線通信領域。面向電池管理芯片的混合信號電路DPM理論還未見報道。

一般地，系統(tǒng)受外界負載信號的激勵做出響應，為了響應任務而需要消耗能量。由于負載信號的到來相互間沒有聯(lián)系，沒有任何特征，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(tǒng)必須能檢測并且判斷負載性質(zhì)，根據(jù)合理的DPM策略來決定系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)抽象結(jié)構入手，再進一步研究管理器的內(nèi)部組成及實現(xiàn)。

1 PM抽象結(jié)構

按照相應功耗管理實現(xiàn)的物理層次，可以分為內(nèi)部PM和外部PM兩類。



圖3.3.1給出了外部功耗管理結(jié)構。圖中，在原有工作系統(tǒng)外部，增加了功耗管理部分（虛線框中所示），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。控制器可以是一個可編程的微控制器，或者是一個狀態(tài)機，它既可以位于內(nèi)部邏輯中，有時也可以作為一個單獨的微處理器存在。圖3.3.1所示的外部PM一般由軟件實現(xiàn)，由于它能對系統(tǒng)和負載進行準確的實時檢測，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(tǒng)如嵌入式系統(tǒng)。外部PM的缺點是速度較慢，增加了外部與系統(tǒng)之間接口的設計復雜程度，軟硬件綜合代價未必最佳。內(nèi)部管理器則一般由系統(tǒng)內(nèi)部硬件實現(xiàn)，因此功耗管理速度較快，對外接口簡單，但是在檢測整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)時有一定的局限性，通常只能采用較為簡單的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(tǒng)啟動后，由檢測電路來檢測系統(tǒng)負載的狀態(tài)和性質(zhì)，然后根據(jù)不同的策略估算功耗狀態(tài)，如果不需要關斷模塊則繼續(xù)檢測負載，如果需要功耗管理，則由控制器產(chǎn)生用于關斷相應模塊的控制信號。



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

2功耗建模

功耗建模可以借鑒DPM中實時嵌入式系統(tǒng)的建模方法，將電池管理芯片定義為普通的功耗管理系統(tǒng)。這個系統(tǒng)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(tǒng)級層次，PMC可以是芯片中的一個系統(tǒng)功能模塊。為了實現(xiàn)更有效的DPM策略，并不需要了解PMC內(nèi)部結(jié)構，只需要關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，非功耗管理組件的目標僅是在特定的功耗預算下實現(xiàn)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(zhuǎn)換，從而達到功耗與性能的折衷。

PMC的一個基本特征是，它有多種功耗模式，且各種模式之間的轉(zhuǎn)換也可能引起延遲或性能下降。模式數(shù)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(diào)整達到最佳，但在實際應用中為了不使設計難度過大，以及實現(xiàn)PM的硬件代價過大，一般都要選擇適當?shù)腜MC功耗模式數(shù)。

PMC模型可以由功耗狀態(tài)機（Power State Machine， PSM）來描述，PSM中的狀態(tài)即是PMC各種工作模式，模式之間的轉(zhuǎn)換有功耗或延遲。為簡化模型，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PMC正常工作，功率消耗正常；另一種是OFF，PMC被關斷，功耗較低。功耗狀態(tài)的轉(zhuǎn)變通常是要以犧牲性能和功耗為代價的。比如，如果進入低功耗狀態(tài)需要關斷供電電源，那么從低功耗狀態(tài)恢復則通常需要一定的時間，這個延時要用來使電源電壓/時鐘穩(wěn)定，或重新初始化系統(tǒng)，或者進行狀態(tài)的重新存儲。簡而言之，需要有一定的策略來決定PMC何時、是否值得進入低功耗狀態(tài)；在復雜的多種功耗狀態(tài)系統(tǒng)中，則還要選擇進入何種低功耗狀態(tài)。

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

但是無論是哪種情況，在高效的功耗管理策略中，都離不開負載的信息。

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，一個有效的功耗管理方案取決于系統(tǒng)和負載的特性。目前，已有的DPM技術和優(yōu)化策略可以分為非適應性和適應性的兩大類。其中，非適應性的DPM技術以基于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t timeout后關閉。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)時的功率，則定義一個空閑等待時間閾值t_timeout



顯然，當?shù)却龝r間超過閾值時，進入低功耗狀態(tài)能節(jié)約更多的能量。該策略的思路比較簡單，當進入空閑的同時開始計時，在閾值時間t_timeout之前不關閉，到達閾值后才關閉PMC進入低功耗狀態(tài)，直到接收到外界輸入的任務后再返回工作狀態(tài)。

由此看出，Timeout策略有比較鮮明的特點：首先，時間閾值t_timeout非常重要，合理的設置閾值將顯著提高關斷的正確性，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策略的應用相對簡單。基于預測的策略是通過學習任務的分布，在輸入特性和系統(tǒng)性能的基礎上動態(tài)地改變閾值，即是通過預測來消除負載的不確定性。基于預測的策略中，如果參數(shù)較多，則將增大調(diào)整的難度，而且它不能很好地控制系統(tǒng)性能的損失。基于隨機控制的策略是將PM看作是一系列隨機最優(yōu)化問題，所涉及的系統(tǒng)一般有多種功耗狀態(tài)而不僅僅兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。在較為復雜的多媒體、無信通信領域，上述兩種策略雖然增加了系統(tǒng)的軟硬件或性能的代價，但是和節(jié)省的功耗相比還是值得的。但在單芯片系統(tǒng)中，受成本和性能的限制，由于Timeout策略比較容易實現(xiàn)，用內(nèi)部PM實現(xiàn)時所增加的軟硬件負擔相對不大，而且功耗節(jié)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實時系統(tǒng)，保護功能的實現(xiàn)依賴于對供電電池狀態(tài)的檢測，采用基于Timeout的策略進行功耗管理，從成本、代價以及可行性方面，都是一個比較好的選擇。

但是，Timeout策略有以下缺點：一是關斷與否與負載的性質(zhì)和狀態(tài)無關，而僅僅根據(jù)任務請求來決定，這顯然不能滿足鋰離子電池管理芯片的應用要求；二是在等待激發(fā)Timeout策略的過程中，仍然有較大的功率消耗，如果能采用預關斷策略，即在系統(tǒng)已經(jīng)歷的時間和負載性質(zhì)確定的基礎上，在等待開始時就關閉，這樣就可以節(jié)省等待期間的功耗。針對上述Timeout策略的缺點，本文提出了一種基于負載驅(qū)動的預關斷Timeout策略。

2）基于負載驅(qū)動的預關斷Timeout策略

一般地，根據(jù)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(zhuǎn)換將有能量和延遲的代價，分別是功耗P^t_l,m和延遲t_l,m 。為分析簡便，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。

再定義一個參數(shù)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，能夠節(jié)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(zhuǎn)變間的差值，因此有



前面已提出，結(jié)合應用要求和功耗管理成本，規(guī)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(wèi)=1代表關狀態(tài)，l=2代表開狀態(tài)。當l=1時，式（3.3.3）變?yōu)?br />


可以用式（3.3.4）描述常規(guī)的Timeout策略：當空閑時間t idle比空閑等待時間閾值t 1長時，此策略便假定，在t 1 +Z 1時間段內(nèi)仍有可能保持空閑，此時關斷顯然可以節(jié)省功耗。而事實上，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，只要滿足t_idle> Z1，就可以在空閑等待開始便被關斷。

可以從負載、器件和功耗狀態(tài)的角度，分析比較常見的Timeout策略和基于負載驅(qū)動的預關斷Timeout策略，結(jié)果如圖3.3.4所示。



圖3.3.4（a）中，t 1為等待閾值時間值，T_sd和T_wu是狀態(tài)轉(zhuǎn)變對應的延遲，功耗狀態(tài)的轉(zhuǎn)換只是根據(jù)任務請求；圖3.3.4（b）所示的Timeout策略中，功耗狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是基于負載性質(zhì)和電路狀態(tài)的判別，所以可以在等待開始時就關斷相應電路，此時系統(tǒng)代價僅是功耗轉(zhuǎn)換之間的延遲。顯然，和常規(guī)策略相比，基于負載驅(qū)動的預關斷Timeout策略可以節(jié)省更多的功耗。

4 DPM技術實現(xiàn)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(tǒng)的PSM就可以如圖3.3.5所示。系統(tǒng)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(jù)負載特性動態(tài)地關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(tǒng)電源及時切斷，最低功耗狀態(tài)也就是Power Down模式。



為了實現(xiàn)圖3.3.5所示的系統(tǒng)PSM，在原系統(tǒng)框架的基礎上，本文設計了一個內(nèi)部PM，并且采用基于負載的預關斷Timeout功耗管理策略優(yōu)化功耗，如圖3.3.6所示。



從外部和內(nèi)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(tǒng)狀態(tài)的前提下，鋰離子電池管理芯片采用內(nèi)部PM，將能夠以較小的硬件代價實現(xiàn)快速、靈活的動態(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，控制器是一個狀態(tài)機，為了盡量減小系統(tǒng)PM控制電路的代價，將其置于系統(tǒng)原有的邏輯電路中，這樣也能保證不影響系統(tǒng)其它功能。

PM具體的工作過程如下：利用檢測充放電電流的VM端，設計一個比較器，根據(jù)VM端電壓極性來判斷所接負載特性，內(nèi)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，然后將此時系統(tǒng)中電流消耗較大，但又可以處于空閑狀態(tài)的模擬電路關斷。在內(nèi)部PM中，所有模擬電路的關斷都可以由一個MOS開關管控制，DPM信號由控制器輸出，控制開關管的導通，從而在需要時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工作流程見圖3.3.7.在圖3.3.7（a）中，利用系統(tǒng)檢測模塊實時監(jiān)測負載，并判斷負載是放電負載還是充電器。接負載放電時，如果電池處于過充電狀態(tài)，則不啟動DPM，所有功能模塊都正常工作；如果電池不是過充電，則將充電電壓取樣電路關閉，換句話說，此時系統(tǒng)將對過充電狀態(tài)的實時檢測以節(jié)省功耗：如果所接的是充電器，則同樣需要預先判斷是否過放，是過放狀態(tài)則不啟動DPM，否則將過放電電壓取樣電路關閉，此時系統(tǒng)不再認為電池還會處于過放狀態(tài)。圖3.3.7（b）則是利用電池在過放狀態(tài)下，根據(jù)VM與VDD間的壓降決定是否進入Power Down狀態(tài)，即關閉系統(tǒng)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斷Timeout策略，鋰離子電池管理芯片的DPM實現(xiàn)對于不同的負載是有差別的：在負載為充電器時，經(jīng)過放電檢測延時時間t_DL后，系統(tǒng)決定是否采用功耗管理；而所接負載是充電器時，則要在過充電檢測延時時間t_CU后，再決定是否可以預關斷。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(tǒng)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)缺點正如第二章所指出，在現(xiàn)有的模擬電路低功耗技術中，亞閾值電路有著特殊的地位和作用，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。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態(tài)范圍，也說明在低電壓下電路仍有較好的動態(tài)特性；低的漏電流也增加了它在低電流功耗系統(tǒng)中的優(yōu)越性。此外在高頻時，R_N正比于1/g_m，而亞閾值區(qū)的g_m/I_D最大，所以此時噪聲最小；在低頻時，閃爍噪聲占主要地位，而且R_N與I_D無關，因此在同樣的I_D下，亞閾值MOS管較高的W/L也意味著更低的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(shù)關系。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調(diào)節(jié)，所以在有些情況下，可以用MOS管代替實現(xiàn)類似雙極晶體管所能實現(xiàn)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(qū)域，還需要掌握各工作區(qū)域的特征參數(shù)，下面分別進行討論。

對于MOS管，其工作區(qū)域主要有線性區(qū)（可變電阻區(qū)）、飽和區(qū)和亞閾值區(qū)，根據(jù)MOS管在模擬電路中的功能不同，其工作區(qū)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(qū)；在個別情況下，MOS管工作在線性區(qū)，主要當作電阻使用，特別是大電阻，其明顯的優(yōu)點是占用較小的版圖面積，而且相對來講，比電阻的工藝漂移小；此外，對于MOS工作在亞閾值區(qū)的情況，在功耗要求特別低的場合，將能解決實際問題。對MOS管的工作區(qū)域設定應滿足以下要求：

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

②若要求MOS管工作在線性區(qū)，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(qū)，則要保證柵壓滿足0﹤V_GS﹤V_TH

但在實際應用時，當V GS與V TH值相差不大時，MOS管將工作在亞閾值區(qū)與強反型區(qū)的過渡狀態(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，各個狀態(tài)之間的界限可根據(jù)電壓或電流來估計，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，可以計算出寬長比為10u/10u時，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(shù)還有：

①輸出電阻考慮溝道長度效應的傳統(tǒng)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(qū)域從強反型變化到弱反型時，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



在弱反型區(qū)有



由于k隨著V_SB增大而增大，一個較為合理的取值為：



3.4小結(jié)

本章從系統(tǒng)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，分析了系統(tǒng)設計中的重點及難點。提出了實時完整的保護功能設計目標后，給出了系統(tǒng)框圖。

功耗優(yōu)化是鋰離子電池管理芯片的一個重要目標。混合信號芯片中，DPM技術同樣可以由三要素構成：功耗模型、判決策略及電路實現(xiàn)。本章在系統(tǒng)組件的功耗模型基礎上，給出了系統(tǒng)的功耗狀態(tài)機圖。確定判決策略時，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(jù)負載變化控制系統(tǒng)功耗，但是所增加的軟硬件成本使得它們更適用在實時嵌入式系統(tǒng)中；對于單芯片系統(tǒng)，基于Timeout的策略簡單有效，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(tǒng)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斷Timeout策略。然后，本章還給出了系統(tǒng)級DPM實現(xiàn)框圖，并提出了能實現(xiàn)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合的綜合表現(xiàn)，對工作在亞閾值區(qū)的MOS管作了進一步的分析討論，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現(xiàn)及驗證的功能設計目標和功耗管理基礎。