锂离子电池管理芯片的研究及其低功耗设计-----结论与展望

本章对所做的工作内容和取得的成果作了简要总结，并从更高的要求出发，展望了今后工作方向。

6.1主要结论

近年来，随着信息技术的飞速发展，集成电路的复杂度和集成度有了极大的提高，功耗也因此成为IC设计中除性能、面积之外的另一个重要的设计要素。

在采用电池供电的消费类产品中，集成电路的低功耗设计更是延长电池使用寿命的最有效手段。

目前，对于低功耗的研究往往将模拟、数字电路进行分开讨论，研究得较多也较为成熟的是数字电路低功耗理论。由于模拟电路处理信号的连续性、电路结构形式的多样性、性能指标的精确性，低功耗通常是结合具体电路而言，所以模拟电路的低功耗研究还有很大的发展空间。而作为一个实际的系统，常常需要将逻辑控制电路和模拟电路一起集成在同一芯片中，即数模混合电路，因此研究混合信号电路的低功耗，讨论模拟电路的实际功耗限制，协同考虑数字、模拟电路的功耗，实现系统层次的统一功耗管理，具有很大的挑战性。

在集成电路中，所谓的电池管理芯片占有特殊的地位。作为二次电池中的一种，锂离子电池具有高质量比能量、高体积比能量、高充放电循环、低放电率，单节电池工作电压高的优点，在便携式产品中获得了广泛的应用。而为了保证它在使用过程中的安全性，要求电池/电池组必须装有保护功能的电池管理芯片。

这类管理芯片通常属于数模混合系统，它不仅要求能实现对电池的高精度保护，还必须保证电流消耗极低，不会影响电池的使用寿命。在小尺寸、轻重量的便携设备中，单节锂离子电池具有很大的应用前景，因此设计单节锂离子电池的管理芯片的保护功能，研究单芯片数模混合电路的功耗优化方法，具有重要的实践指导意义和应用价值。

本文从低功耗设计方面，对混合信号中的数字电路、模拟电路中的低功耗方法进行了讨论和研究，提出了协同考虑数字、模拟电路功耗的思路和方法；针对单节锂离子电池管理芯片的低功耗、高精度要求，进行了保护功能设计，提出了基于负载的系统级动态功耗管理技术，给出了电路实现和系统版图，并通过后模拟验证了功能和包括功耗在内的电学参数指标。

本文的主要工作及研究成果可以总结为：

1、对数模混合信号电路的低功耗设计方法进行了研究。

数字电路的低功耗设计方面，讨论了基本的功耗方程，简要总结了影响电路功耗的四个主要因素分别为：

• 开关活动因子、
• 负载电容、
• 工作频率和工作的电源电压；

重点从电路设计层次，讨论了系统结构级、寄存器传输级、逻辑/门级、版图级的数字电路低功耗设计方法，提出在系统级进行功耗优化，将取得更显著的效果。模拟电路的低功耗设计方面，对模拟电路实现低功耗的基本限制条件作了简要讨论，得出了功耗、信噪比和速度间的约束条件；重点分析了设计中的实际限制条件，推导并给出了由噪声决定的功耗和由精度决定的功耗数学表达式；总结了亚阈值电路、电流模式、浮栅技术、体驱动MOS管技术这四种低压低功耗模拟电路方法，对前两种技术中与噪声和精度相关的功耗进行了数学描述，分析比较了四种方案的适用性，指出在标准的数字电路工艺模式下，亚阈值电路是低功耗模拟电路的较佳选择。数模混合信号低功耗设计方面，设计了将数字电路和模拟电路协同考虑的数模混合电路低功耗拓朴结构；提出了在按传统方法对两部份分别进行功耗优化后，再将数字电路的动态功耗管理技术推广到整个混合信号系统，控制关断不需要工作的模拟电路模块；并对控制信号产生电路和开关电路实现方案作了分析比较。

2、对锂离子电池管理芯片的保护功能和功耗优化进行了研究。

系统功能设计中，针对锂离子电池管理芯片的应用特点，分析了系统设计中的重点，提出了低电流消耗和高精度的设计难点；

设计了具有过放电电压保护、过充电电压保护、过放电电流三级保护、过充电电流检测及零伏电池充电抑制等功能，并给出了系统框图。

功耗优化分为系统级和电路级。系统级功耗优化中，提出可以从功耗建模、判决策略、电路实现三个层次，讨论适用于单芯片的混合信号系统动态功耗管理技术；在对系统组件的分析建模基础上，给出了系统组件和系统的功耗状态机图。简单总结了非适应性和适应性判决策略，指出基于预测和随机控制的方法，在一定程度上，虽然能更好地根据负载变化控制系统功耗，但是所增加的软硬件成本使得它们更适用在实时嵌入式系统中；对于单芯片系统，基于Timeout方法因为控制简单有效，所增加的硬件成本有限而更有实用价值；本文还针对传统的Timeout方法由于不涉及负载性质，对功耗优化有很大的不确定性，同时在等待期间的功耗也不容忽视这些不足，分析提出了适用于电池管理芯片的基于负载的预关断Timeout方法；本文还建立了系统级的功耗管理框图，并给出了能实现两级功耗管理的工作流程。在电路层次的低功耗设计中，提出采用亚阈值电路可以满足应用要求，对工作在亚阈值区的MOS管作了进一步的分析讨论，并提出了可行的工作状态判断标准及控制方法。

3、对低功耗、高精度的锂离子电池管理芯片的电路实现进行了设计和研究。

本文分析了电池管理芯片所适用的低功耗混合信号设计流程，指出在电路实现层次，模拟电路和数字电路模块可以分别设计验证。数字模块设计中，分析了系统的有限状态机模型，同时在上一章所提出的功耗管理模型基础上，设计了延时模块和逻辑控制模块，不仅能完成系统所需要的基本功能，而且能及时检测负载性质和状态，由数字电路内部输出相应的功耗管理信号。模拟电路模块设计时，首先对电源管理芯片中的极其重要的基础电路进行了深入讨论；采用线性电路实现了电源电压取样；从降低数模电路的电源耦合噪声、降低电流消耗出发，提出了基于热电压U T的亚阈值自偏置电路的设计思想；为了进一步提高所用工艺实现的可能性，重点设计了无电阻电流偏置电路和电流求和型电压基准源电路；详细介绍了模块中检测精度要求最为严格的比较器，即过充比较器的设计，对其它的比较器电路有一定的实践指导作用；给出了管理芯片中的关键功能模块的完整设计方案。

4、对版图、后仿真进行了分析设计和研究。

讨论了数模混合信号电路版图设计中的主要问题后，结合所用工艺，介绍了系统中的一些特殊器件的制作，设计了芯片版图；分析了本文所用的版图验证方案，在此基础上对系统功能、性能指标和功耗作了后仿真验证。从具体的验证结果可以看出，本文所设计的锂离子电池管理芯片和文献中同类先进产品相比，在考虑了工艺漂移、温度变化等因素的影响之后，本芯片能实现所有的设计功能，电学指标达到或优于文献，而电流消耗节省了14%左右。

应该指出，本文提出的适用于锂离子电池管理芯片的低功耗方案，完全可以推广到同类或同系列产品的设计中，因此有相当的工程应用价值。

6.2未来工作展望

本文对于锂离子电池管理芯片的研究尽管做了大量工作，取得了一定的研究成果，对同类系统的低功耗研究和功能设计有着相当的参考价值，但是还可以进一步地完善与发展。

1、锂离子电池管理芯片的低功耗设计方法研究有待进一步深入。

在可以牺牲一部分软硬件为代价的前提下，通过动态功耗管理技术获得有益的功耗节省，对电池管理芯片应该是一个较佳的设计方案。但研究单芯片的混合信号系统，尤其是实时的电池管理芯片，需要建立一个准确有效的功耗模型，本文结合应用特点，提出了分别具有两种、三种功耗状态的系统组件及系统模型，已能够满足一般的要求，但在较为复杂的电池组供电场合，这种模型还需要进一步的改进，即必须建立具有多种关断状态的复杂模型，而此时开关电路模块所引起的能量损耗及时间延迟也必须加以深入考虑。同时，本文提出的基于负载驱动的预关断Timeout方法，虽然能够克服常规Timeout方法的一些局限，如负载信息的不确定，针对电池管理芯片而言更能实现某种程度的自适应性，处理简单而且容易实现，但是它只适用于具有两种功耗状态的系统，对于复杂系统还需要对基于随机控制的功耗优化方法作进一步研究。

2、新技术的发展和采用。

本文在进行电路和版图设计时，为了有效降低电流消耗，不可避免地使用了大电阻（总电阻值在M级），这在实现时占用了较大的版图面积。比如在电压取样电路中，采用Trimming技术的电阻分压电路和MOS管分压电路相比，线性度好、可靠性好，并且能实现后者无法达到的分压比可调；同时电压基准源电路中，因为要输出不同的基准电压，也需要较大的电阻以减小静态电流消耗，所以在电池管理芯片中，目前认为大电阻几乎是无法避免的。但如果在设计时，采用动态模拟电路，相应的动态管理技术也不再是对功耗状态的控制，而是根据负载的性质和要求，动态地控制电路的工作频率，大电阻的问题才有可能解决。但是必须指出的是，这种新的技术对系统时钟的设计，如对时钟频率的选择、时钟树的构建、系统工作的稳定性等都提出了极高的要求。事实上，以时钟频率的设计为例，检测电压高精度必然要求电压采样的频率较高，而系统频率的提高又将极大地影响着功耗优化效果。而且，这种方法也必然增加相应逻辑控制模块的设计难度。但是无论如何，动态采样仍然不失为解决大电阻问题的一个可能方案，还有待开展更深入的研究。

总之，在电池技术发展速度逊于集成电路的发展现状下，研究集成电路的低功耗以尽可能地延长电池的使用寿命，有着极重要的应用背景和现实意义。电池管理芯片是电池使用过程中不可或缺的一部分，也是所谓的电源管理芯片的重要组成部分。深入研究数模混合信号的电池管理单芯片系统，如何在实现对电池的有效管理之外，还能利用电池的使用状态，动态地进行功耗管理，节省自身电池能量消耗，甚至给片外系统提供有益的功耗管理信息，还有很多的工作需要深入开展。