鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設計案例

需要指出的是，目前的低功耗研究大多是對模擬和數字電路進行分開討論。這和模擬電路自身的特點密切相關。模擬集成電路和處理0或1信號的數字電路不同，它主要處理幅度、時間、頻率連續變化的信號，并且具有以下特點：

①電路形式的多樣性。包括數據轉換器（如A/D轉換器、D/A轉換器等）、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/反對數放大器等）、多路模擬開關、電源電壓調節器（線性調壓器、開關電源控制器等）、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電路結構的多樣性。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構。

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

雖然在數字時代，數字電路的設計方法、工藝條件都領先于模擬電路，數字IC的市場占有率也要高于模擬IC，但模擬電路畢竟是數字電路和現實世界的橋梁，所以它仍然有足夠的發展空間。另外，在實際的較高復雜度的系統中，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，即所謂的數模混合電路。CMOS工藝的成熟和在數字電路中的普遍應用，也要求系統中模擬電路工藝要和標準CMOS工藝相容，因此，模擬電路中包括功耗在內的性能將直接決定著系統的性能。

在混合信號電路中，許多成功應用在數字電路中的低功耗技術，并不適合應用在模擬電路中。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計。

隨著越來越多的電池供電數模混合電路的出現，上述傳統的設計方法受到了強烈的挑戰。低功耗必然要求對整個混合信號電路進行統一的功耗管理，而不是將模擬、數字電路孤立開來。從設計的角度，如何協同考慮數字、模擬電路的功耗，會遇到比純數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]在設計激光驅動器時，曾利用數字信號控制電流開關來減小功耗，但采用的是外加數字信號；文獻[18]、[19]提出了利用數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年清華大學提出了將數字電路的信號控制模擬電路的活動，即所謂的Pulsed-Activation來節省系統的功耗[20]，但只是從電路上證明了這種方法的可行性，對如何有效地節省數模混合系統的功耗，并沒有作進一步的理論研究。應該看到，研究混合信號電路的低功耗，將涉及目前的模擬、數字低功耗設計的熱點領域，但也有很多問題沒有解決，值得進一步深化和完善。

1.3課題研究內容以及文章結構

為了實現鋰電池管理芯片的保護功能及低功耗設計要求，本文的主要研究內容為：數模混合電路中的各部分的低功耗設計及協同考慮方法；鋰離子電池管理芯片的保護功能設計及低功耗實現；電路設計和仿真，版圖實現以及包括功耗在內的后仿真驗證。

根據內容需要，本文研究的重點集中在以下幾個方面：

①數模混合電路中的低功耗方法分析：研究低功耗的文獻相當多，但大多數是將數字電路和模擬電路分開來考慮的。作為一個實際的數模混合系統，低功耗設計不能脫離系統應用的場合，而且又要有一定的可重用性，這有一定的難度，也有相當的挑戰性。

②鋰離子電池管理芯片的保護功能設計：針對鋰離子電池應用特點，設計出能對電池實施實時、有效保護的系統。

③面向鋰離子電池管理芯片低功耗實現：從應用場合出發，研究基于負載驅動的數模混合單芯片系統的功耗優化方法。

④版圖實現與結果驗證：包括版圖設計及后模擬驗證。其中，結果驗證包含兩方面：一是功能的準確性驗證，二是包含功耗在內的電學參數的精確性驗證，三是系統的可實現性驗證。1.4本文的研究方案及意義

根據研究現狀和設計要求，本文擬采取的研究方案為：

①考慮到混合信號單芯片系統的要求，分別研究數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準數字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計分析，包括失配、噪聲對功耗優化的實際限制，設計時電路控制與判斷，以及對具體的亞閾值電路結構討論。

②鋰離子電池管理芯片的保護功能設計：包括實時的充放電壓檢測和控制，即能實現過放電保護、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，即能實現過流的二級保護、短路保護、以