鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設(shè)計(jì)案例

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(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，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)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)模混合系統(tǒng)的功耗，并沒有作進(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