锂离子电池管理芯片的研究及其低功耗设计案例

fer Level， RTL）、逻辑/门级（Logic/Gate Level）、版图级（Layout Level）这几个层次。其中，系统及算法作为低功耗技术中的高层次，对系统功耗的影响很大。在这种层次上的功耗分析将能对系统功耗进行预测及优化，并能实现几个数量级的功耗降低，因此必须加以重视。

有效的功耗评估工具和方法是低功耗研究的另一个重要内容。如何在设计的不同层次对电路功耗进行快速准确地估计，也是集成电路设计中的一个热点和难点问题。通常，把功耗评估分为基于随机统计和模拟的方法这两类。

基于随机统计的功耗估算方法，其基本思想为：先根据模块的版图或逻辑描述，抽取电路或逻辑模型，然后用随机产生的输入流模拟，计算平均功耗。

它的优点是速度较快，而且不需要电路内部信息，但功耗估算准确程度不及基于模拟的方法，因此适用于通常设计的早期阶段。
基于模拟的功耗估算方法是用一组典型的输入矢量进行功耗模拟，以获得平均功耗、最大功耗及最小功耗值。基于模拟的方法精度高，但所占存储空间和模拟时间较大，因此可以用一些启发信息来加速收敛，如蒙特卡罗（Monte Carlo）

模拟方法和遗传算法。其中，蒙特卡罗方 法是在电路输入端随机产生输入信号，再用模拟方法计算在某一时间间隔内的功耗。如果将现有的电路级、门级等模拟方法用于蒙特卡罗程序的内环，将能够实现速度和计算精度的折衷。典型的基于模拟方法的功耗分析软件有POWERMILL、Entice-Aspen等。

需要指出的是，目前的低功耗研究大多是对模拟和数字电路进行分开讨论。这和模拟电路自身的特点密切相关。模拟集成电路和处理0或1信号的数字电路不同，它主要处理幅度、时间、频率连续变化的信号，并且具有以下特点：

①电路形式的多样性。包括数据转换器（如A/D转换器、D/A转换器等）、运算放大器、线性放大器（低噪声放大器、宽带放大器等）、非线性放大器（模拟乘法器、对数/反对数放大器等）、多路模拟开关、电源电压调节器（线性调压器、开关电源控制器等）、智能功率IC以及各类专用IC.

②性能指标的多样性。包括精度、输入范围、失真、噪声、电源电压抑制比（PSRR）、增益、频率带宽、输入/出阻抗等。

③电路结构的多样性。仅以一个运放为例，就有两级、Cascode、折叠式（Folded）Cascode、A/AB类放大器、单端/差分放大器等众多结构。

④器件的多样性。常见的器件就有晶体管、二极管、电阻、电容、甚至电感等。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，都使得电路及版图的设计必须围绕具体电路展开，设计的自动化程度远远低于数字电路，而难度又远高于后者。

虽然在数字时代，数字电路的设计方法、工艺条件都领先于模拟电路，数字IC的市场占有率也要高于模拟IC，但模拟电路毕竟是数字电路和现实世界的桥梁，所以它仍然有足够的发展空间。另外，在实际的较高复杂度的系统中，总是把存储电路、逻辑控制电路和模拟电路一起集成在同一芯片中，即所谓的数模混合电路。CMOS工艺的成熟和在数字电路中的普遍应用，也要求系统中模拟电路工艺要和标准CMOS工艺相容，因此，模拟电路中包括功耗在内的性能将直接决定着系统的性能。

在混合信号电路中，许多成功应用在数字电路中的低功耗技术，并不适合应用在模拟电路中。例如，降低电源电压是减小功耗的有效方法，但对于模拟电路，正如文献[16]所指出，对于给定的动态范围、增益和增益带宽乘积，降低电源电压将反而使功耗升高，这同时也说明，在低电压下实现低功耗，是以牺牲电路的一部分性能为代价的。因为模拟电路的性能不能脱离具体的电路来讨论，所以有较多的文献报道了低压低功耗电路设计。

随着越来越多的电池供电数模混合电路的出现，上述传统的设计方法受到了强烈的挑战。低功耗必然要求对整个混合信号电路进行统一的功耗管理，而不是将模拟、数字电路孤立开来。从设计的角度，如何协同考虑数字、模拟电路的功耗，会遇到比纯数字电路或纯模拟电路更多的困难。因此，混合信号的低功耗研究开始引起了人们的重视：文献[17]在设计激光驱动器时，曾利用数字信号控制电流开关来减小功耗，但采用的是外加数字信号；文献[18]、[19]提出了利用数字信号来控制模拟电路，但目的是减小电路噪声而不是功耗。2001年清华大学提出了将数字电路的信号控制模拟电路的活动，即所谓的Pulsed-Activation来节省系统的功耗[20]，但只是从电路上证明了这种方法的可行性，对如何有效地节省数模混合系统的功耗，并没有作进一步的理论研究。应该看到，研究混合信号电路的低功耗，将涉及