鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設(shè)計 — 基本名詞解釋

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。上世紀八十年代，研究的重點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公司首次實現(xiàn)了鋰離子電池商業(yè)化，被認為是能源技術(shù)領(lǐng)域的一個重要的里程牌。

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、攝像機及PDA等高端便攜式消費類電子產(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黃金時期，那么在手機、攝像機等便攜電子產(chǎn)品的普及將使鋰離子電池產(chǎn)業(yè)進入第二個黃金時期。比如，2004年94%的手機電池是鋰離子電池。隨著技術(shù)的發(fā)展，對鋰離子電池的需求將日益旺盛，2005年預(yù)計達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，日本一支獨秀的格局已經(jīng)被逐漸打破，預(yù)計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。由于質(zhì)量比能量高，而且電解液大多為有機易燃物等，當(dāng)電池?zé)崃慨a(chǎn)生速度大于散熱速度時，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，有可能達到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，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，除了進行深入的機理研究，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）對電池進行有效的管理。有報道稱近年來，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包含對電池電壓監(jiān)測、充放電電流監(jiān)測、溫度監(jiān)測、數(shù)據(jù)計算以及存儲。管理芯片中，包括保護電路、燃料檢測電路以及能夠?qū)嵭须姵財?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存儲器、時鐘、狀態(tài)/控制電路、與主系統(tǒng)單線接口及地址、鋰離子電池保護電路等組成。其中由ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字量存儲在相應(yīng)的存儲器內(nèi)，通過單線接口與主系統(tǒng)連接，對內(nèi)部存儲器進行讀/寫的訪問及控制。SBS除了能對電池進行有效地保護之外，還能輸出電池剩余能量信號（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。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，有幾個型號已采用了基于電池保護電路的SBS.

在鋰離子電池管理芯片中，保護電路由于能夠?qū)崿F(xiàn)對電池電壓、充放電電流監(jiān)測，它既能單獨內(nèi)置在鋰離子電池中，也能在SBS中充當(dāng)二次保護電路用，更可貴的是，它能實現(xiàn)對Ni-Cd、Ni-H電池的同等保護，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，尤其是保護電路的設(shè)計開發(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)品因為功能齊全、精度高和功耗低，被認為是鋰離子電池管理芯片設(shè)計的領(lǐng)跑者之一。而在中國，除了臺灣有個別單位已開發(fā)出了功能較為簡單的保護芯片外，近年來，雖然也有個別大陸單位開始研究鋰離子電池保護電路，但都處于起步階段，精度低、沒有統(tǒng)一的保護標準。更主要的是，目前國內(nèi)還沒有具有獨立自主產(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、攝像機等都采用單節(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，重點在于：

①除了要對電池充電過程進行有效管理外，還更迫切地需要實現(xiàn)對充電及使用過程的全程保護。這要求芯片不僅具有完備的保護功能，而且保護精度如電池電壓、延時時間的檢測和控制精度達到實用要求。

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。

作為一個數(shù)模混合信號電路，可以借鑒已有的一些功耗優(yōu)化方法，但是結(jié)合應(yīng)用特點降低功耗，還要進行更深入的理論探索。

因此，研究以單節(jié)鋰離子保護電路為代表的電池管理芯片的低功耗，從系統(tǒng)功能實現(xiàn)到數(shù)?；旌闲盘栯娐返凸牡脑O(shè)計，對電池管理芯片的設(shè)計乃至SBS的開發(fā)都將有相當(dāng)?shù)慕梃b作用。

1.2數(shù)?；旌闲盘栯娐返牡凸脑O(shè)計

1.2.1集成電路的低功耗設(shè)計動因

在集成電路發(fā)展的早期到上世紀八十年代，功耗問題并不是很突出。在這段時間內(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個月，IC的集成度將提高一倍，這就是著名的Moore定律。而事實上，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)展的勢頭將不會改變。同時，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芯片上，構(gòu)成一個系統(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不可或缺的電路設(shè)計指標。

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，消費類電子產(chǎn)品的發(fā)展和大量應(yīng)用推動了對功耗問題的研究。

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)計低功耗電路，以保證在集成度提高時，單位面積維持同樣甚至更低的功耗。同時，因為在過去的三十年中電池的容量僅僅增加了2～4倍，遠沒有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，也必然要求電路實現(xiàn)低功耗。和十年前相比，消費類電子產(chǎn)品在電子產(chǎn)業(yè)中的比例已從40%快速增長到55%，因此可以說消費類電子產(chǎn)品是低功耗設(shè)計的主要推動力。

1.2.2數(shù)?；旌闲盘栯娐返牡凸难芯?/p>

在這種技術(shù)需求和便攜式電子產(chǎn)品的應(yīng)用需求的強烈推動下，CMOS集成電路低壓低功耗設(shè)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(fù)雜系統(tǒng)集成在同一芯片上，進行有效地功耗管理。但是當(dāng)特征尺寸縮小到一定程度，熱載流子效應(yīng)、動態(tài)節(jié)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(qū)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(shù)級增加。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)計方法及評估方法，但主要是針對數(shù)字電路。

在保證系統(tǒng)同樣性能的前提下，在芯片設(shè)計的初期，就從各個層次對功耗進行分析優(yōu)化，不僅能夠縮短設(shè)計周期，還能夠?qū)崿F(xiàn)整體功耗最小化目標。從設(shè)計的角度，低功耗設(shè)計方法可以分成系統(tǒng)級（System Level）、算法/結(jié)構(gòu)（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(tǒng)及算法作為低功耗技術(shù)中的高層次，對系統(tǒng)功耗的影響很大。在這種層次上的功耗分析將能對系統(tǒng)功耗進行預(yù)測及優(yōu)化，并能實現(xiàn)幾個數(shù)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(nèi)容。如何在設(shè)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(shè)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(tǒng)計和模擬的方法這兩類。

基于隨機統(tǒng)計的功耗估算方法，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，然后用隨機產(chǎn)生的輸入流模擬，計算平均功耗。

它的優(yōu)點是速度較快，而且不需要電路內(nèi)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(shè)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。基于模擬的方法精度高，但所占存儲空間和模擬時間較大，因此可以用一些啟發(fā)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(chǎn)生輸入信號，再用模擬方法計算在某一時間間隔內(nèi)的功耗。如果將現(xiàn)有的電路級、門級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(shù)字電路進行分開討論。這和模擬電路自身的特點密切相關(guān)。模擬集成電路和處理0或1信號的數(shù)字電路不同，它主要處理幅度、時間、頻率連續(xù)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（如A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)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(shù)/反對數(shù)放大器等）、多路模擬開關(guān)、電源電壓調(diào)節(jié)器（線性調(diào)壓器、開關(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(jié)構(gòu)。

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(xù)性、電路結(jié)構(gòu)形式的多樣性、性能指標的精確性，都使得電路及版圖的設(shè)計必須圍繞具體電路展開，設(shè)計的自動化程度遠遠低于數(shù)字電路，而難度又遠高于后者。

雖然在數(shù)字時代，數(shù)字電路的設(shè)計方法、工藝條件都領(lǐng)先于模擬電路，數(shù)字IC的市場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)實世界的橋梁，所以它仍然有足夠的發(fā)展空間。另外，在實際的較高復(fù)雜度的系統(tǒng)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(shù)?；旌想娐?/em>的出現(xiàn)，上述傳統(tǒng)的設(shè)計方法受到了強烈的挑戰(zhàn)。低功耗必然要求對整個混合信號電路進行統(tǒng)一的功耗管理，而不是將模擬、數(shù)字電路孤立開來。從設(shè)計的角度，如何協(xié)同考慮數(shù)字、模擬電路的功耗，會遇到比純數(shù)字電路或純模擬電路更多的困難。因此，混合信號的低功耗研究開始引起了人們的重視：文獻[17]在設(shè)計激光驅(qū)動器時，曾利用數(shù)字信號控制電流開關(guān)來減小功耗，但采用的是外加數(shù)字信號；文獻[18]、[19]提出了利用數(shù)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(xué)提出了將數(shù)字電路的信號控制模擬電路的活動，即所謂的Pulsed-Activation來節(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，對如何有效地節(jié)省數(shù)?；旌舷到y(tǒng)的功耗，并沒有作進一步的理論研究。應(yīng)該看到，研究混合信號電路的低功耗，將涉及目前的模擬、數(shù)字低功耗設(shè)計的熱點領(lǐng)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(nèi)容以及文章結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)鋰電池管理芯片的保護功能及低功耗設(shè)計要求，本文的主要研究內(nèi)容為：