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| 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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| 文章來(lái)源： 更新時(shí)間：2013/3/4 13:04:00 |
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1.1鋰離子電池管理芯片的應(yīng)用及發(fā)展
1.1.1鋰離子電池的特點(diǎn)及應(yīng)用
早在1912年，以金屬鋰作為電極的鋰電池（Li Battery）的研究就開(kāi)始了，到上世紀(jì)七十年代，不可充電的鋰電池才首次應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域。上世紀(jì)八十年代，研究的重點(diǎn)集中在可充電的鋰離子電池（Li-ion Battery）上，但并沒(méi)有成功解決電池的安全性問(wèn)題。一直到1991年，Sony公司首次實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池商業(yè)化，被認(rèn)為是能源技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)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(zhì)量比能量和體積比能量）、更高的充放電循環(huán)、更低的放電率和更高的單節(jié)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(dòng)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(chǔ)期間的正常使用。
這十幾年間，鋰離子電池的應(yīng)用獲得了巨大發(fā)展，現(xiàn)已成為通訊類電子產(chǎn)品的主要能源之一，被廣泛應(yīng)用在筆記本電腦、GSM/CDMA、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)及PDA等高端便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品中[2]。如果將1997年以前適應(yīng)筆記本電腦市場(chǎng)、降低電池成本、提高容量稱為鋰離子電池第一個(gè)黃金時(shí)期，那么在手機(jī)、攝像機(jī)等便攜電子產(chǎn)品的普及將使鋰離子電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)入第二個(gè)黃金時(shí)期。比如，2004年94%的手機(jī)電池是鋰離子電池。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋰離子電池的需求將日益旺盛，2005年預(yù)計(jì)達(dá)12億只[3]。從鋰離子電池的生產(chǎn)和銷售分布來(lái)看，在2000年以前，日本是鋰離子電池的最大生產(chǎn)和銷售國(guó)，市場(chǎng)占有率達(dá)到95%以上。但近年來(lái)隨著中國(guó)和韓國(guó)的迅速崛起，日本一支獨(dú)秀的格局已經(jīng)被逐漸打破，預(yù)計(jì)2005年日本鋰離子電池的全球市場(chǎng)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(kāi)發(fā)中，提高使用安全性問(wèn)題一直是研究的重點(diǎn)。由于質(zhì)量比能量高，而且電解液大多為有機(jī)易燃物等，當(dāng)電池?zé)崃慨a(chǎn)生速度大于散熱速度時(shí)，就有可能出現(xiàn)安全性問(wèn)題。有研究指出，鋰離子電池在濫用時(shí)，有可能達(dá)到700°C以上的高溫，從而導(dǎo)致電池出現(xiàn)冒煙、著火乃至爆炸；在過(guò)放電到低于1V時(shí)，正極表面將析出銅，造成電池內(nèi)部短路；在過(guò)流情況下，電池內(nèi)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(guò)充電和過(guò)放電情況下，鋰離子電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)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(jìn)行深入的機(jī)理研究，選擇合適的電極材料及優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)之外，還必須通過(guò)電池外圍的集成電路（IC）對(duì)電池進(jìn)行有效的管理。有報(bào)道稱近年來(lái)，電池管理（Battery Management）芯片，無(wú)論是銷售額還是銷售量在功耗管理（Power Management）芯片中有望增長(zhǎng)得最快。鋰離子電池管理目標(biāo)包含對(duì)電池電壓監(jiān)測(cè)、充放電電流監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)計(jì)算以及存儲(chǔ)。管理芯片中，包括保護(hù)電路、燃料檢測(cè)電路以及能夠?qū)嵭须姵財(cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)被稱為智能電池系統(tǒng)（Smart Battery System， SBS）。SBS電池組結(jié)構(gòu)如圖1.1.2所示，它由溫度傳感器、能檢測(cè)雙向電流的電流檢測(cè)器、ADC、EEPROM存儲(chǔ)器、時(shí)鐘、狀態(tài)/控制電路、與主系統(tǒng)單線接口及地址、鋰離子電池保護(hù)電路等組成。其中由ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字量存儲(chǔ)在相應(yīng)的存儲(chǔ)器內(nèi)，通過(guò)單線接口與主系統(tǒng)連接，對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫(xiě)的訪問(wèn)及控制。SBS除了能對(duì)電池進(jìn)行有效地保護(hù)之外，還能輸出電池剩余能量信號(hào)（可用LCD顯示），這將是鋰離子電池管理芯片發(fā)展的主要目標(biāo)。目前，SBS應(yīng)用的協(xié)議發(fā)展到了SBdata1.1（數(shù)據(jù)協(xié)議）和SMbus2.0（總線協(xié)議），而在IBM和索尼等筆記本電腦中，有幾個(gè)型號(hào)已采用了基于電池保護(hù)電路的SBS.
在鋰離子電池管理芯片中，保護(hù)電路由于能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池電壓、充放電電流監(jiān)測(cè)，它既能單獨(dú)內(nèi)置在鋰離子電池中，也能在SBS中充當(dāng)二次保護(hù)電路用，更可貴的是，它能實(shí)現(xiàn)對(duì)Ni-Cd、Ni-H電池的同等保護(hù)，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(fā)展現(xiàn)狀
目前，國(guó)外的Unitrode、Texas、Dallas等公司紛紛開(kāi)展了對(duì)鋰離子電池管理芯片的研究和開(kāi)發(fā)。和電池產(chǎn)量在全球市場(chǎng)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(hù)電路的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，始終在全球占有主導(dǎo)地位。最著名的產(chǎn)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(chǎn)品因?yàn)楣δ荦R全、精度高和功耗低，被認(rèn)為是鋰離子電池管理芯片設(shè)計(jì)的領(lǐng)跑者之一。而在中國(guó)，除了臺(tái)灣有個(gè)別單位已開(kāi)發(fā)出了功能較為簡(jiǎn)單的保護(hù)芯片外，近年來(lái)，雖然也有個(gè)別大陸單位開(kāi)始研究鋰離子電池保護(hù)電路，但都處于起步階段，精度低、沒(méi)有統(tǒng)一的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。更主要的是，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有具有獨(dú)立自主產(chǎn)權(quán)的電路出現(xiàn)。
目前，為了在最長(zhǎng)的電池使用時(shí)間和最輕的重量之間取得平衡，越來(lái)越多的便攜式設(shè)備如手機(jī)、攝像機(jī)等都采用單節(jié)鋰離子電池作為主電源。目前單節(jié)鋰離子電池的管理芯片研究，重點(diǎn)在于：
①除了要對(duì)電池充電過(guò)程進(jìn)行有效管理外，還更迫切地需要實(shí)現(xiàn)對(duì)充電及使用過(guò)程的全程保護(hù)。這要求芯片不僅具有完備的保護(hù)功能，而且保護(hù)精度如電池電壓、延時(shí)時(shí)間的檢測(cè)和控制精度達(dá)到實(shí)用要求。
②應(yīng)該盡可能地降低功耗以延長(zhǎng)供電電池的使用壽命。作為封裝后電池的一部分，芯片的驅(qū)動(dòng)始終來(lái)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(gè)數(shù)�；旌闲盘�(hào)電路，可以借鑒已有的一些功耗優(yōu)化方法，但是結(jié)合應(yīng)用特點(diǎn)降低功耗，還要進(jìn)行更深入的理論探索。
因此，研究以單節(jié)鋰離子保護(hù)電路為代表的電池管理芯片的低功耗，從系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)到數(shù)�；旌闲盘�(hào)電路低功耗的設(shè)計(jì)，對(duì)電池管理芯片的設(shè)計(jì)乃至SBS的開(kāi)發(fā)都將有相當(dāng)?shù)慕梃b作用。
1.2數(shù)�；旌闲盘�(hào)電路的低功耗設(shè)計(jì)
1.2.1集成電路的低功耗設(shè)計(jì)動(dòng)因
在集成電路發(fā)展的早期到上世紀(jì)八十年代，功耗問(wèn)題并不是很突出。在這段時(shí)間內(nèi)，由于電路系統(tǒng)規(guī)模普遍較小和CMOS工藝的興起，低功耗尚未被作為IC設(shè)計(jì)的重要因素。
在1968年，Intel公司的創(chuàng)始人之一G. Moore就預(yù)測(cè)，每18到24個(gè)月，IC的集成度將提高一倍，這就是著名的Moore定律。而事實(shí)上，這四十多年來(lái)，IC技術(shù)就是基本上遵循著Moore定律取得了巨大的發(fā)展。集成電路經(jīng)歷了從小規(guī)模集成（SSI）發(fā)展到超大規(guī)模（VLSI）到現(xiàn)在的甚大規(guī)模集成（ULSI），即一個(gè)芯片上可以包含一億以上的元件的水平。雖然量子效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)的限制將使IC集成度增長(zhǎng)的速度趨緩，但是可以預(yù)見(jiàn)的是，隨著新技術(shù)的采用IC的集成度持續(xù)發(fā)展的勢(shì)頭將不會(huì)改變。同時(shí)，系統(tǒng)的復(fù)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(gè)芯片上，構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)集成芯片（SOC）。顯然，集成電路復(fù)雜度和集成度的提高使得低功耗正成為一個(gè)不可或缺的電路設(shè)計(jì)指標(biāo)。
首先，過(guò)高的功耗將使芯片容易過(guò)熱，電路可靠性下降，最終導(dǎo)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(huì)增加成本，而且在小型化應(yīng)用場(chǎng)合中，這種方案往往不被采納。
更重要的是，消費(fèi)類電子產(chǎn)品的發(fā)展和大量應(yīng)用推動(dòng)了對(duì)功耗問(wèn)題的研究。
低功耗的概念是由電子手表等工業(yè)首次提出的，而在小型化、高集成度的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，為了降低電路成本、提高電路穩(wěn)定性、可靠性，更需要設(shè)計(jì)低功耗電路，以保證在集成度提高時(shí)，單位面積維持同樣甚至更低的功耗。同時(shí)，因?yàn)樵谶^(guò)去的三十年中電池的容量?jī)H僅增加了2～4倍，遠(yuǎn)沒(méi)有VLSI技術(shù)的發(fā)展迅速，所以在電池供電系統(tǒng)中，集成電路的低功耗設(shè)計(jì)是延長(zhǎng)電池使用壽命的最有效手段。此外，便攜式設(shè)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(shí)現(xiàn)低功耗。和十年前相比，消費(fèi)類電子產(chǎn)品在電子產(chǎn)業(yè)中的比例已從40%快速增長(zhǎng)到55%，因此可以說(shuō)消費(fèi)類電子產(chǎn)品是低功耗設(shè)計(jì)的主要推動(dòng)力。
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�；谀M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)�；旌想娐贰MOS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)�；旌想娐返某霈F(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)�；旌想娐分械牡凸姆椒ǚ治觯貉芯康凸牡奈墨I(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)�；旌想娐分械母鞑糠值牡凸睦碚摷皡f(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。
1.5文章結(jié)構(gòu)安排
第一章為緒論，主要分析論文的研究背景與研究現(xiàn)狀，提出本文的研究?jī)?nèi)容與重點(diǎn)。
第二章討論低功耗設(shè)計(jì)方法。首先，根據(jù)數(shù)字電路的功耗模型，自頂向下討論不同的設(shè)計(jì)層次可以采用的低功耗方法；其次，討論并推導(dǎo)模擬電路的低功耗限制條件，包括基本限制條件，以及失配、噪聲對(duì)功耗優(yōu)化的實(shí)際限制條件，總結(jié)比較常用的低功耗電路；最后，探討現(xiàn)有的混合信號(hào)電路中，低功耗設(shè)計(jì)方法及重點(diǎn)，并提出可行的低功耗拓樸結(jié)構(gòu)，為下一章作理論準(zhǔn)備。
第三章建立鋰離子電池管理芯片的保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)并進(jìn)行功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，提出芯片保護(hù)功能要求，建立系統(tǒng)框圖；然后討論電池管理芯片的低功耗設(shè)計(jì)，在對(duì)系統(tǒng)功耗狀態(tài)建模的基礎(chǔ)上，研究確定基于負(fù)載的系統(tǒng)級(jí)動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)，優(yōu)化電池管理芯片功耗：并在低功耗電路設(shè)計(jì)中，對(duì)亞閾值模擬電路作具有指導(dǎo)意義的討論。
第四章給出具體的電路實(shí)現(xiàn)。分為數(shù)字電路和模擬電路設(shè)計(jì)。數(shù)字電路中，在系統(tǒng)有限狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)邏輯部分進(jìn)行功能設(shè)計(jì)；根據(jù)前章給出的功耗狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)流程，完成功耗管理邏輯設(shè)計(jì)。模擬電路中，重點(diǎn)討論基于亞閾值電路的基準(zhǔn)源模塊，具有代表性的過(guò)充電比較器，以及其它重要的功能電路設(shè)計(jì)。
第五章給出芯片版圖，通過(guò)將后仿真的結(jié)果與參考文獻(xiàn)比較，驗(yàn)證功能實(shí)現(xiàn)和功耗優(yōu)化的效果。
第六章進(jìn)行總結(jié)并提出展望。 |
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