锂离子电池管理芯片的研究及其低功耗设计 — 锂离子电池管理芯片的功能设计及功耗优化(二)

3.3锂离子电池管理芯片的功耗优化

从上面的分析可以看出，此芯片是一个连续工作的数模混合系统，同时又以被监测的锂离子电池为供电电源，因此必须能够在电池电压的整个变化范围内正常工作。在实现电路功能并满足检测精度的前提下，为了尽可能延长电池寿命，降低电路功耗成了另外一个重要的设计指标。由于控制逻辑部分属于数字电路，其静态功耗几乎可以忽略，所以在优化逻辑电路动态功耗的前提下，如何降低模拟电路的静态功耗并且限制低电压下系统功耗成了设计重点。

3.3.1 DPM技术在数模混合信号系统中，同样可以采用数字电路的DPM技术来进行功耗优化。即根据负载和任务的变化，及时关掉暂时不工作、也不影响整个系统输出的电路部分，从而减小系统功耗。和传统DPM理论相比，混合信号电路中的控制对象不再是数字电路而是模拟电路，这样也能够更有效地节省系统静态功耗。然而，目前的DPM理论还大多数集中在纯数字电路系统、或是多媒体、无线通信领域。面向电池管理芯片的混合信号电路DPM理论还未见报道。

一般地，系统受外界负载信号的激励做出响应，为了响应任务而需要消耗能量。由于负载信号的到来相互间没有联系，没有任何特征，一般也不遵从一定的概率分布。在不能预知负载特性的情况下，系统必须能检测并且判断负载性质，根据合理的DPM策略来决定系统内部模块的工作状态。因此，可以先从功耗管理器（Power Manager， PM）的系统抽象结构入手，再进一步研究管理器的内部组成及实现。

1 PM抽象结构

按照相应功耗管理实现的物理层次，可以分为内部PM和外部PM两类。



图3.3.1给出了外部功耗管理结构。图中，在原有工作系统外部，增加了功耗管理部分（虚线框中所示），其中，检测电路（Observer）收集负载信息，控制器（Controller）产生强制功耗状态变化的控制信号。控制器可以是一个可编程的微控制器，或者是一个状态机，它既可以位于内部逻辑中，有时也可以作为一个单独的微处理器存在。图3.3.1所示的外部PM一般由软件实现，由于它能对系统和负载进行准确的实时检测，所以可以采用较复杂的功耗管理策略，功耗优化效果较佳，常用于较为复杂的系统如嵌入式系统。外部PM的缺点是速度较慢，增加了外部与系统之间接口的设计复杂程度，软硬件综合代价未必最佳。内部管理器则一般由系统内部硬件实现，因此功耗管理速度较快，对外接口简单，但是在检测整个系统的工作状态时有一定的局限性，通常只能采用较为简单的DPM策略。

DPM工作流程图如图3.3.2所示。从图中可以清楚地看到，当系统启动后，由检测电路来检测系统负载的状态和性质，然后根据不同的策略估算功耗状态，如果不需要关断模块则继续检测负载，如果需要功耗管理，则由控制器产生用于关断相应模块的控制信号。



综上所述，一个DPM体系的选择和实现，显然首先需要建立系统功耗或者性能以及负载的模型，然后再根据相应的判决策略产生控制信号。下面，就将从PM实现的层次，从功耗建模、判决策略、体系实现这三个方面分别讨论。

2功耗建模

功耗建模可以借鉴DPM中实时嵌入式系统的建模方法，将电池管理芯片定义为普通的功耗管理系统。这个系统由一系列相互影响的受功耗管理器控制的功耗管理组件（Power Management Component， PMC）组成。这种定义是普遍意义上的，在系统级层次，PMC可以是芯片中的一个系统功能模块。为了实现更有效的DPM策略，并不需要了解PMC内部结构，只需要关心它们与外界如何相互作用。这种方法将有助于更好地理解PM和PMC之间需要交换怎样的信息。

在设计时，非功耗管理组件的目标仅是在特定的功耗预算下实现性能，而PMC才可以在高性能高功耗和低性能低功耗之间自由地转换，从而达到功耗与性能的折衷。

PMC的一个基本特征是，它有多种功耗模式，且各种模式之间的转换也可能引起延迟或性能下降。模式数量增多虽然可以更精确地控制PMC的状态，使浪费的功耗最小，性能调整达到最佳，但在实际应用中为了不使设计难度过大，以及实现PM的硬件代价过大，一般都要选择适当的PMC功耗模式数。

PMC模型可以由功耗状态机（Power State Machine， PSM）来描述，PSM中的状态即是PMC各种工作模式，模式之间的转换有功耗或延迟。为简化模型，电池管理芯片的PMC的功耗状态可由图3.3.3所示的PSM表征。



图3.3.3所示的PMC可以有两种状态：一种是ON，此时PMC正常工作，功率消耗正常；另一种是OFF，PMC被关断，功耗较低。功耗状态的转变通常是要以牺牲性能和功耗为代价的。比如，如果进入低功耗状态需要关断供电电源，那么从低功耗状态恢复则通常需要一定的时间，这个延时要用来使电源电压/时钟稳定，或重新初始化系统，或者进行状态的重新存储。简而言之，需要有一定的策略来决定PMC何时、是否值得进入低功耗状态；在复杂的多种功耗状态系统中，则还要选择进入何种低功耗状态。

需要指出的是，系统及内部组件的模型都可以由PSM来描述，但是负载的模型变化相对复杂，比如将从Timeout策略中的简单假设变化到复杂的随机模型。

但是无论是哪种情况，在高效的功耗管理策略中，都离不开负载的信息。

3功耗管理策略