鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設(shè)計(jì)

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，但并沒有成功解決電池的安全性問題。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、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)和銷售分布來看，在2000年以前，日本是鋰離子電池的最大生產(chǎn)和銷售國，市場占有率達(dá)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(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(fā)中，提高使用安全性問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給出了在過充電和過放電情況下，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，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(biāo)包含對(duì)電池電壓監(jiān)測、充放電電流監(jiān)測、溫度監(jiān)測、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、能檢測雙向電流的電流檢測器、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/寫的訪問及控制。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，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，國外的Unitrode、Texas、Dallas等公司紛紛開展了對(duì)鋰離子電池管理芯片的研究和開發(fā)。和電池產(chǎn)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(hù)電路的設(shè)計(jì)開發(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，除了臺(tái)灣有個(gè)別單位已開發(fā)出了功能較為簡單的保護(hù)芯片外，近年來，雖然也有個(gè)別大陸單位開始研究鋰離子電池保護(hù)電路，但都處于起步階段，精度低、沒有統(tǒng)一的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。更主要的是，目前國內(nèi)還沒有具有獨(dú)立自主產(chǎn)權(quán)的電路出現(xiàn)。

目前，為了在最長的電池使用時(shí)間和最輕的重量之間取得平衡，越來越多的便攜式設(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)模混合信號(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，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，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集成度增長的速度趨緩，但是可以預(yù)見的是，隨著新技術(shù)的采用IC的集成度持續(xù)發(fā)展的勢頭將不會(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，過高的功耗將使芯片容易過熱，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^去的三十年中電池的容量僅僅增加了2～4倍，遠(yuǎn)沒有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%快速增長到55%，因此可以說消費(fèi)類電子產(chǎn)品是低功耗設(shè)計(jì)的主要推動(dòng)力。