鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設(shè)計
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1.2.2數(shù)?；旌闲盘栯娐返牡凸难芯?br />
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(biāo)。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(zhǔn)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(zhǔn)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(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(biāo)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(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)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，但對于模擬電路，正如文獻[16]所指出，對于給定的動態(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，這同時也說明，在低電壓下實現(xiàn)低功耗，是以犧牲電路的一部分性能為代價的。因為模擬電路的性能不能脫離具體的電路來討論，所以有較多的文獻報道了低壓低功耗電路設(shè)計。
隨著越來越多的電池供電數(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)模混合系統(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：數(shù)模混合電路中的各部分的低功耗設(shè)計及協(xié)同考慮方法；鋰離子電池管理芯片的保護功能設(shè)計及低功耗實現(xiàn)；電路設(shè)計和仿真，版圖實現(xiàn)以及包括功耗在內(nèi)的后仿真驗證。
根據(jù)內(nèi)容需要，本文研究的重點集中在以下幾個方面：
①數(shù)模混合電路中的低功耗方法分析：研究低功耗的文獻相當(dāng)多，但大多數(shù)是將數(shù)字電路和模擬電路分開來考慮的。作為一個實際的數(shù)?；旌舷到y(tǒng)，低功耗設(shè)計不能脫離系統(tǒng)應(yīng)用的場合，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功能設(shè)計：針對鋰離子電池應(yīng)用特點，設(shè)計出能對電池實施實時、有效保護的系統(tǒng)。
③面向鋰離子電池管理芯片低功耗實現(xiàn)：從應(yīng)用場合出發(fā)，研究基于負(fù)載驅(qū)動的數(shù)模混合單芯片系統(tǒng)的功耗優(yōu)化方法。
④版圖實現(xiàn)與結(jié)果驗證：包括版圖設(shè)計及后模擬驗證。其中，結(jié)果驗證包含兩方面：一是功能的準(zhǔn)確性驗證，二是包含功耗在內(nèi)的電學(xué)參數(shù)的精確性驗證，三是系統(tǒng)的可實現(xiàn)性驗證。
1.4本文的研究方案及意義
根據(jù)研究現(xiàn)狀和設(shè)計要求，本文擬采取的研究方案為：
①考慮到混合信號單芯片系統(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合，所以將對亞閾值電路作較深入的理論研究和設(shè)計分析，包括失配、噪聲對功耗優(yōu)化的實際限制，設(shè)計時電路控制與判斷，以及對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功能設(shè)計：包括實時的充放電壓檢測和控制，即能實現(xiàn)過放電保護、過充電保護、零伏充電電壓抑制；包括實時的雙向充放電電流檢測，即能實現(xiàn)過流的二級保護、短路保護、以及非正常充電電流保護；另外，當(dāng)外置熱敏電阻時，能實現(xiàn)溫度的檢測和保護。
③數(shù)?；旌想娐返呢?fù)載驅(qū)動型低功耗設(shè)計方法：分功耗建模、功耗管理策略以及實現(xiàn)三個部分討論。建立適用于管理芯片的功耗模型，對功耗管理策略分析比較后，采用實現(xiàn)簡單控制容易的方法，并加以改進，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)計和性能功耗驗證：功能和電學(xué)參數(shù)可以通過電路級仿真軟件（如HSPICE、VERILOG、POWERMILL等）來直接驗證，并且和相關(guān)文獻的指標(biāo)來進行對比；運用CADENCE，完成系統(tǒng)版圖；通過從版圖提取參數(shù)，并通過后模擬來驗證系統(tǒng)的可實現(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，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用價值。
③采用面向單芯片的混合電路的系統(tǒng)級動態(tài)功耗管理技術(shù)，不僅拓展了動態(tài)功耗管理理論在純數(shù)字系統(tǒng)及實時嵌入式系統(tǒng)之外的應(yīng)用，還能結(jié)合應(yīng)用特點，克服原有的不足，發(fā)展新的內(nèi)容。
④本文的研究內(nèi)容和結(jié)果對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://www.ex-cimer.com/article/175540.htm
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