鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設(shè)計(jì)
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時(shí)間：2013-03-05
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
1.2.2數(shù)?；旌闲盘?hào)電路的低功耗研究
在這種技術(shù)需求和便攜式電子產(chǎn)品的應(yīng)用需求的強(qiáng)烈推動(dòng)下，CMOS集成電路低壓低功耗設(shè)計(jì)受到了人們的極大重視。目前，人們對(duì)集成電路的功耗研究，主要集中在以下兩個(gè)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(fù)雜系統(tǒng)集成在同一芯片上，進(jìn)行有效地功耗管理。但是當(dāng)特征尺寸縮小到一定程度，熱載流子效應(yīng)、動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)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(wèn)題的較好方案。為了保證低壓邏輯電路的驅(qū)動(dòng)電流不減少和工作頻率不降低，在降低電源電壓的同時(shí)也要求降低閾值電壓，但是同比例降低閾值電壓會(huì)使漏泄電流指數(shù)級(jí)增加。采用多閾值電壓器件或是采用可變閾值電壓技術(shù)有望減小漏泄電流引起的功耗，而這些技術(shù)都比較依賴制造工藝。
二是低功耗設(shè)計(jì)方法的研究。這是目前低功耗研究中最為活躍的領(lǐng)域。在工藝確定的情況下，它包括低功耗的設(shè)計(jì)方法及評(píng)估方法，但主要是針對(duì)數(shù)字電路。
在保證系統(tǒng)同樣性能的前提下，在芯片設(shè)計(jì)的初期，就從各個(gè)層次對(duì)功耗進(jìn)行分析優(yōu)化，不僅能夠縮短設(shè)計(jì)周期，還能夠?qū)崿F(xiàn)整體功耗最小化目標(biāo)。從設(shè)計(jì)的角度，低功耗設(shè)計(jì)方法可以分成系統(tǒng)級(jí)（System Level）、算法/結(jié)構(gòu)（Architecture/Algorithm Level）、寄存器傳輸級(jí)（Register Transfer Level， RTL）、邏輯/門(mén)級(jí)（Logic/Gate Level）、版圖級(jí)（Layout Level）這幾個(gè)層次。其中，系統(tǒng)及算法作為低功耗技術(shù)中的高層次，對(duì)系統(tǒng)功耗的影響很大。在這種層次上的功耗分析將能對(duì)系統(tǒng)功耗進(jìn)行預(yù)測(cè)及優(yōu)化，并能實(shí)現(xiàn)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的功耗降低，因此必須加以重視。
有效的功耗評(píng)估工具和方法是低功耗研究的另一個(gè)重要內(nèi)容。如何在設(shè)計(jì)的不同層次對(duì)電路功耗進(jìn)行快速準(zhǔn)確地估計(jì)，也是集成電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。通常，把功耗評(píng)估分為基于隨機(jī)統(tǒng)計(jì)和模擬的方法這兩類。
基于隨機(jī)統(tǒng)計(jì)的功耗估算方法，其基本思想為：先根據(jù)模塊的版圖或邏輯描述，抽取電路或邏輯模型，然后用隨機(jī)產(chǎn)生的輸入流模擬，計(jì)算平均功耗。
它的優(yōu)點(diǎn)是速度較快，而且不需要電路內(nèi)部信息，但功耗估算準(zhǔn)確程度不及基于模擬的方法，因此適用于通常設(shè)計(jì)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(jìn)行功耗模擬，以獲得平均功耗、最大功耗及最小功耗值。基于模擬的方法精度高，但所占存儲(chǔ)空間和模擬時(shí)間較大，因此可以用一些啟發(fā)信息來(lái)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(jī)產(chǎn)生輸入信號(hào)，再用模擬方法計(jì)算在某一時(shí)間間隔內(nèi)的功耗。如果將現(xiàn)有的電路級(jí)、門(mén)級(jí)等模擬方法用于蒙特卡羅程序的內(nèi)環(huán)，將能夠?qū)崿F(xiàn)速度和計(jì)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(duì)模擬和數(shù)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(hào)的數(shù)字電路不同，它主要處理幅度、時(shí)間、頻率連續(xù)變化的信號(hào)，并且具有以下特點(diǎn)：
①電路形式的多樣性。包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（如A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等）、運(yùn)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(duì)數(shù)/反對(duì)數(shù)放大器等）、多路模擬開(kāi)關(guān)、電源電壓調(diào)節(jié)器（線性調(diào)壓器、開(kāi)關(guān)電源控制器等）、智能功率IC以及各類專用IC.
②性能指標(biāo)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(jié)構(gòu)的多樣性。僅以一個(gè)運(yùn)放為例，就有兩級(jí)、Cascode、折疊式（Folded）Cascode、A/AB類放大器、單端/差分放大器等眾多結(jié)構(gòu)。
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(hào)的連續(xù)性、電路結(jié)構(gòu)形式的多樣性、性能指標(biāo)的精確性，都使得電路及版圖的設(shè)計(jì)必須圍繞具體電路展開(kāi)，設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于數(shù)字電路，而難度又遠(yuǎn)高于后者。
雖然在數(shù)字時(shí)代，數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方法、工藝條件都領(lǐng)先于模擬電路，數(shù)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(shù)字電路和現(xiàn)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(fù)雜度的系統(tǒng)中，總是把存儲(chǔ)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(shù)模混合電路。CMOS工藝的成熟和在數(shù)字電路中的普遍應(yīng)用，也要求系統(tǒng)中模擬電路工藝要和標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝相容，因此，模擬電路中包括功耗在內(nèi)的性能將直接決定著系統(tǒng)的性能。
在混合信號(hào)電路中，許多成功應(yīng)用在數(shù)字電路中的低功耗技術(shù)，并不適合應(yīng)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(duì)于模擬電路，正如文獻(xiàn)[16]所指出，對(duì)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(xiàn)低功耗，是以犧牲電路的一部分性能為代價(jià)的。因?yàn)槟M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(xiàn)報(bào)道了低壓低功耗電路設(shè)計(jì)。
隨著越來(lái)越多的電池供電數(shù)模混合電路的出現(xiàn)，上述傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法受到了強(qiáng)烈的挑戰(zhàn)。低功耗必然要求對(duì)整個(gè)混合信號(hào)電路進(jìn)行統(tǒng)一的功耗管理，而不是將模擬、數(shù)字電路孤立開(kāi)來(lái)。從設(shè)計(jì)的角度，如何協(xié)同考慮數(shù)字、模擬電路的功耗，會(huì)遇到比純數(shù)字電路或純模擬電路更多的困難。因此，混合信號(hào)的低功耗研究開(kāi)始引起了人們的重視：文獻(xiàn)[17]在設(shè)計(jì)激光驅(qū)動(dòng)器時(shí)，曾利用數(shù)字信號(hào)控制電流開(kāi)關(guān)來(lái)減小功耗，但采用的是外加數(shù)字信號(hào)；文獻(xiàn)[18]、[19]提出了利用數(shù)字信號(hào)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(shù)字電路的信號(hào)控制模擬電路的活動(dòng)，即所謂的Pulsed-Activation來(lái)節(jié)省系統(tǒng)的功耗[20]，但只是從電路上證明了這種方法的可行性，對(duì)如何有效地節(jié)省數(shù)?；旌舷到y(tǒng)的功耗，并沒(méi)有作進(jìn)一步的理論研究。應(yīng)該看到，研究混合信號(hào)電路的低功耗，將涉及目前的模擬、數(shù)字低功耗設(shè)計(jì)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?jī)?nèi)容以及文章結(jié)構(gòu)
為了實(shí)現(xiàn)鋰電池管理芯片的保護(hù)功能及低功耗設(shè)計(jì)要求，本文的主要研究?jī)?nèi)容為：數(shù)?；旌想娐分械母鞑糠值牡凸脑O(shè)計(jì)及協(xié)同考慮方法；鋰離子電池管理芯片的保護(hù)功能設(shè)計(jì)及低功耗實(shí)現(xiàn)；電路設(shè)計(jì)和仿真，版圖實(shí)現(xiàn)以及包括功耗在內(nèi)的后仿真驗(yàn)證。
根據(jù)內(nèi)容需要，本文研究的重點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面：
①數(shù)模混合電路中的低功耗方法分析：研究低功耗的文獻(xiàn)相當(dāng)多，但大多數(shù)是將數(shù)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(shù)?；旌舷到y(tǒng)，低功耗設(shè)計(jì)不能脫離系統(tǒng)應(yīng)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(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性。
②鋰離子電池管理芯片的保護(hù)功能設(shè)計(jì)：針對(duì)鋰離子電池應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出能對(duì)電池實(shí)施實(shí)時(shí)、有效保護(hù)的系統(tǒng)。
③面向鋰離子電池管理芯片低功耗實(shí)現(xiàn)：從應(yīng)用場(chǎng)合出發(fā)，研究基于負(fù)載驅(qū)動(dòng)的數(shù)?；旌蠁涡酒到y(tǒng)的功耗優(yōu)化方法。
④版圖實(shí)現(xiàn)與結(jié)果驗(yàn)證：包括版圖設(shè)計(jì)及后模擬驗(yàn)證。其中，結(jié)果驗(yàn)證包含兩方面：一是功能的準(zhǔn)確性驗(yàn)證，二是包含功耗在內(nèi)的電學(xué)參數(shù)的精確性驗(yàn)證，三是系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性驗(yàn)證。
1.4本文的研究方案及意義
根據(jù)研究現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)要求，本文擬采取的研究方案為：
①考慮到混合信號(hào)單芯片系統(tǒng)的要求，分別研究數(shù)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS工藝，比較適合用在低速低電流消耗場(chǎng)合，所以將對(duì)亞閾值電路作較深入的理論研究和設(shè)計(jì)分析，包括失配、噪聲對(duì)功耗優(yōu)化的實(shí)際限制，設(shè)計(jì)時(shí)電路控制與判斷，以及對(duì)具體的亞閾值電路結(jié)構(gòu)討論。
②鋰離子電池管理芯片的保護(hù)功能設(shè)計(jì)：包括實(shí)時(shí)的充放電壓檢測(cè)和控制，即能實(shí)現(xiàn)過(guò)放電保護(hù)、過(guò)充電保護(hù)、零伏充電電壓抑制；包括實(shí)時(shí)的雙向充放電電流檢測(cè)，即能實(shí)現(xiàn)過(guò)流的二級(jí)保護(hù)、短路保護(hù)、以及非正常充電電流保護(hù)；另外，當(dāng)外置熱敏電阻時(shí)，能實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)和保護(hù)。
③數(shù)?；旌想娐返呢?fù)載驅(qū)動(dòng)型低功耗設(shè)計(jì)方法：分功耗建模、功耗管理策略以及實(shí)現(xiàn)三個(gè)部分討論。建立適用于管理芯片的功耗模型，對(duì)功耗管理策略分析比較后，采用實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制容易的方法，并加以改進(jìn)，提出基于負(fù)載的功耗優(yōu)化方案。
④低功耗混合電路的版圖設(shè)計(jì)和性能功耗驗(yàn)證：功能和電學(xué)參數(shù)可以通過(guò)電路級(jí)仿真軟件（如HSPICE、VERILOG、POWERMILL等）來(lái)直接驗(yàn)證，并且和相關(guān)文獻(xiàn)的指標(biāo)來(lái)進(jìn)行對(duì)比；運(yùn)用CADENCE，完成系統(tǒng)版圖；通過(guò)從版圖提取參數(shù)，并通過(guò)后模擬來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性。
由上看出，本文的研究意義至少有以下幾方面：
①數(shù)模混合電路中的各部分的低功耗理論及協(xié)同考慮方法，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功耗優(yōu)化的理論基礎(chǔ)。
②低功耗、高精度、小型化是當(dāng)今電池管理芯片的發(fā)展趨勢(shì)，更是滿足應(yīng)用的必然要求，研究電池管理芯片的低功耗有重要的實(shí)用價(jià)值。
③采用面向單芯片的混合電路的系統(tǒng)級(jí)動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)，不僅拓展了動(dòng)態(tài)功耗管理理論在純數(shù)字系統(tǒng)及實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)之外的應(yīng)用，還能結(jié)合應(yīng)用特點(diǎn)，克服原有的不足，發(fā)展新的內(nèi)容。
④本文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)果對(duì)于其它電池管理類芯片有相當(dāng)?shù)慕梃b作用。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/175540.htm
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