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)

从上面的分析可以看出：首先，功耗优化是基于性能约束条件下的功耗优化，反之也成立；其次，一个有效的功耗管理方案取决于系统和负载的特性。目前，已有的DPM技术和优化策略可以分为非适应性和适应性的两大类。其中，非适应性的DPM技术以基于Timeout策略的为代表，而后者以基于预估算策略、随机控制策略的为代表。

1）Timeout策略

DPM判决策略中，Timeout策略是空闲状态在等待一段时t timeout后关闭。其算法表述如下：

Timeout PM （）

{

Begin

Initiate t_timeout

If t_idle > t_timeout then shutdown

Stay in sleep until request！=0

End

}

Timeout策略中，假定Pr是退出低功耗状态所消耗的功率，t_r是相应延迟，则E _r =P_rt_r是退出低功耗的能量，Pi是处于空闲状态时的功率，则定义一个空闲等待时间阈值t_timeout



显然，当等待时间超过阈值时，进入低功耗状态能节约更多的能量。该策略的思路比较简单，当进入空闲的同时开始计时，在阈值时间t_timeout之前不关闭，到达阈值后才关闭PMC进入低功耗状态，直到接收到外界输入的任务后再返回工作状态。

由此看出，Timeout策略有比较鲜明的特点：首先，时间阈值t_timeout非常重要，合理的设置阈值将显著提高关断的正确性，假设的可信度甚至可达95%.此外，和基于预测和基于随机控制的策略相比，Timeout策略的应用相对简单。基于预测的策略是通过学习任务的分布，在输入特性和系统性能的基础上动态地改变阈值，即是通过预测来消除负载的不确定性。基于预测的策略中，如果参数较多，则将增大调整的难度，而且它不能很好地控制系统性能的损失。基于随机控制的策略是将PM看作是一系列随机最优化问题，所涉及的系统一般有多种功耗状态而不仅仅两种状态的转换。在较为复杂的多媒体、无信通信领域，上述两种策略虽然增加了系统的软硬件或性能的代价，但是和节省的功耗相比还是值得的。但在单芯片系统中，受成本和性能的限制，由于Timeout策略比较容易实现，用内部PM实现时所增加的软硬件负担相对不大，而且功耗节省明显，因此比较受到重视。本文研究的电池管理芯片是一个实时系统，保护功能的实现依赖于对供电电池状态的检测，采用基于Timeout的策略进行功耗管理，从成本、代价以及可行性方面，都是一个比较好的选择。

但是，Timeout策略有以下缺点：一是关断与否与负载的性质和状态无关，而仅仅根据任务请求来决定，这显然不能满足锂离子电池管理芯片的应用要求；二是在等待激发Timeout策略的过程中，仍然有较大的功率消耗，如果能采用预关断策略，即在系统已经历的时间和负载性质确定的基础上，在等待开始时就关闭，这样就可以节省等待期间的功耗。针对上述Timeout策略的缺点，本文提出了一种基于负载驱动的预关断Timeout策略。

2）基于负载驱动的预关断Timeout策略

一般地，根据负载性质，假定PMC有L种功耗状态，其中L是对应完全工作状态，1，…，L-1是不同的睡眠状态，则P_l（l=1，…，L-1）是对应不同状态的功耗，从l（l=1，…，L）到m（m=1，…，L，m≠l）不同状态之间转换将有能量和延迟的代价，分别是功耗P^t_l,m和延迟t_l,m 。为分析简便，在状态变化为从l（l=2，…，L）到m（m﹤₁)，功耗和延迟都很低，可以忽略不计。

再定义一个参数Z_l（l=1，…，L-1），它是为了获得正的能量必须维持在l状态的时间，则有



式中，等式左项代表的是维持在l状态比在l+1状态时，能够节省的能量值，右项表示从l到L以及l+1到L的状态转变间的差值，因此有



前面已提出，结合应用要求和功耗管理成本，规定电池管理芯片的PMC，只有两种功耗状态，因此有L=2，其中l=1代表关状态，l=2代表开状态。当l=1时，式（3.3.3）变为



可以用式（3.3.4）描述常规的Timeout策略：当空闲时间t idle比空闲等待时间阈值t 1长时，此策略便假定，在t 1 +Z 1时间段内仍有可能保持空闲，此时关断显然可以节省功耗。而事实上，在能够检测到负载特性的基础上，对于可以处于空闲状态而不影响输出状态的部分电路，只要满足t_idle> Z1，就可以在空闲等待开始便被关断。

可以从负载、器件和功耗状态的角度，分析比较常见的Timeout策略和基于负载驱动的预关断Timeout策略，结果如图3.3.4所示。



图3.3.4（a）中，t 1为等待阈值时间值，T_sd和T_wu是状态转变对应的延迟，功耗状态的转换只是根据任务请求；图3.3.4（b）所示的Timeout策略中，功耗状态的转换是基于负载性质和电路状态的判别，所以可以在等待开始时就关断相应电路，此时系统代价仅是功耗转换之间的延迟。显然，和常规策略相比，基于负载驱动的预关断Timeout策略可以节省更多的功耗。

4 DPM技术实现框图如前所述，假设电池管理芯片的PMC具有两种功耗状态，系统的PSM就可以如图3.3.5所示。系统有三种功耗状态：一是所有功能模块都正常工作的状态，所消耗功率为正常（Normal），二是根据负载特性动态地关闭部分功耗较大的功能模块，即较低功耗状态（Partly Shutdown）最后是将系统电源及时切断，最低功耗状态也就是Power Down模式。



为了实现图3.3.5所示的系统PSM，在原系统框架的基础上，本文设计了一个内部PM，并且采用基于负载的预关断Timeout功耗管理策略优化功耗，如图3.3.6所示。



从外部和内部PM的分析比较可以看出，在能够准确地检测出负载性质和系统状态的前提下，锂离子电池管理芯片采用内部PM，将能够以较小的硬件代价实现快速、灵活的动态功耗管理。图3.3.6中的PM由负载检测电路、PM控制器组成。其中，控制器是一个状态机，为了尽量减小系统PM控制电路的代价，将其置于系统原有的逻辑电路中，这样也能保证不影响系统其它功能。

PM具体的工作过程如下：利用检测充放电电流的VM端，设计一个比较器，根据VM端电压极性来判断所接负载特性，内部功耗控制逻辑电路接收比较器输出信号后，则输出相应的控制信号，然后将此时系统中电流消耗较大，但又可以处于空闲状态的模拟电路关断。在内部PM中，所有模拟电路的关断都可以由一个MOS开关管控制，DPM信号由控制器输出，控制开关管的导通，从而在需要时能切断电路与电源或到地的通路。

锂离子电池管理芯片的DPM工作流程见图3.3.7.在图3.3.7（a）中，利用系统检测模块实时监测负载，并判断负载是放电负载还是充电器。接负载放电时，如果电池处于过充电状态，则不启动DPM，所有功能模块都正常工作；如果电池不是过充电，则将充电电压取样电路关闭，换句话说，此时系统将对过充电状态的实时检测以节省功耗：如果所接的是充电器，则同样需要预先判断是否过放，是过放状态则不启动DPM，否则将过放电电压取样电路关闭，此时系统不再认为电池还会处于过放状态。图3.3.7（b）则是利用电池在过放状态下，根据VM与VDD间的压降决定是否进入Power Down状态，即关闭系统电源以维持极低的电流消耗。