锂离子电池管理芯片的研究及其低功耗设计案例

目前的模拟、数字低功耗设计的热点领域，但也有很多问题没有解决，值得进一步深化和完善。

1.3课题研究内容以及文章结构

为了实现锂电池管理芯片的保护功能及低功耗设计要求，本文的主要研究内容为：数模混合电路中的各部分的低功耗设计及协同考虑方法；锂离子电池管理芯片的保护功能设计及低功耗实现；电路设计和仿真，版图实现以及包括功耗在内的后仿真验证。

根据内容需要，本文研究的重点集中在以下几个方面：

①数模混合电路中的低功耗方法分析：研究低功耗的文献相当多，但大多数是将数字电路和模拟电路分开来考虑的。作为一个实际的数模混合系统，低功耗设计不能脱离系统应用的场合，而且又要有一定的可重用性，这有一定的难度，也有相当的挑战性。

②锂离子电池管理芯片的保护功能设计：针对锂离子电池应用特点，设计出能对电池实施实时、有效保护的系统。

③面向锂离子电池管理芯片低功耗实现：从应用场合出发，研究基于负载驱动的数模混合单芯片系统的功耗优化方法。

④版图实现与结果验证：包括版图设计及后模拟验证。其中，结果验证包含两方面：一是功能的准确性验证，二是包含功耗在内的电学参数的精确性验证，三是系统的可实现性验证。1.4本文的研究方案及意义

根据研究现状和设计要求，本文拟采取的研究方案为：

①考虑到混合信号单芯片系统的要求，分别研究数字和模拟电路中的低功耗方法：其中亚阈值电路可以采用标准数字CMOS工艺，比较适合用在低速低电流消耗场合，所以将对亚阈值电路作较深入的理论研究和设计分析，包括失配、噪声对功耗优化的实际限制，设计时电路控制与判断，以及对具体的亚阈值电路结构讨论。

②锂离子电池管理芯片的保护功能设计：包括实时的充放电压检测和控制，即能实现过放电保护、过充电保护、零伏充电电压抑制；包括实时的双向充放电电流检测，即能实现过流的二级保护、短路保护、以 以及非正常充电电流保护；另外，当外置热敏电阻时，能实现温度的检测和保护。

③数模混合电路的负载驱动型低功耗设计方法：分功耗建模、功耗管理策略以及实现三个部分讨论。建立适用于管理芯片的功耗模型，对功耗管理策略分析比较后，采用实现简单控制容易的方法，并加以改进，提出基于负载的功耗优化方案。

④低功耗混合电路的版图设计和性能功耗验证：功能和电学参数可以通过电路级仿真软件（如HSPICE、VERILOG、POWERMILL等）来直接验证，并且和相关文献的指标来进行对比；运用CADENCE，完成系统版图；通过从版图提取参数，并通过后模拟来验证系统的可实现性。

由上看出，本文的研究意义至少有以下几方面：

①数模混合电路中的各部分的低功耗理论及协同考虑方法，是系统设计和功耗优化的理论基础。

②低功耗、高精度、小型化是当今电池管理芯片的发展趋势，更是满足应用的必然要求，研究电池管理芯片的低功耗有重要的实用价值。

③采用面向单芯片的混合电路的系统级动态功耗管理技术，不仅拓展了动态功耗管理理论在纯数字系统及实时嵌入式系统之外的应用，还能结合应用特点，克服原有的不足，发展新的内容。

④本文的研究内容和结果对于其它电池管理类芯片有相当的借鉴作用。