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)

从流程图中还可以看出，正是基于负载的预关断Timeout策略，锂离子电池管理芯片的DPM实现对于不同的负载是有差别的：在负载为充电器时，经过放电检测延时时间t_DL后，系统决定是否采用功耗管理；而所接负载是充电器时，则要在过充电检测延时时间t_CU后，再决定是否可以预关断。这种差别产生的本质在于，面向锂电池管理芯片的这种Timeout策略不仅需要对负载做出判别，还要利用系统的工作状态，选择需要功耗管理的相应模块。

3.3.2电路级的功耗优化1亚阈值电路的优缺点正如第二章所指出，在现有的模拟电路低功耗技术中，亚阈值电路有着特殊的地位和作用，在一些对速度要求不是很高的低功耗场合，亚阈值电路是一种较好的选择。



表3.1列举了亚阈值电路的优缺点。在给定的电源电压范围下，亚阈值MOS管的饱和电压约为100mV，这将大大提高电路的动态范围，也说明在低电压下电路仍有较好的动态特性；低的漏电流也增加了它在低电流功耗系统中的优越性。此外在高频时，R_N正比于1/g_m，而亚阈值区的g_m/I_D最大，所以此时噪声最小；在低频时，闪烁噪声占主要地位，而且R_N与I_D无关，因此在同样的I_D下，亚阈值MOS管较高的W/L也意味着更低的R_N。

另外，亚阈值MOS管的栅极传输特性具有斜率因子为n的指数关系。源极传输特性与双极晶体管相同，并且其特性可以用栅压来调节，所以在有些情况下，可以用MOS管代替实现类似双极晶体管所能实现的功能。

2电路设计中的控制和判断

从电路设计角度，不仅需要控制及判断MOS管的工作区域，还需要掌握各工作区域的特征参数，下面分别进行讨论。

对于MOS管，其工作区域主要有线性区（可变电阻区）、饱和区和亚阈值区，根据MOS管在模拟电路中的功能不同，其工作区域的设定显得尤为重要。通常情况下，如恒流源电路等，MOS管工作在饱和区；在个别情况下，MOS管工作在线性区，主要当作电阻使用，特别是大电阻，其明显的优点是占用较小的版图面积，而且相对来讲，比电阻的工艺漂移小；此外，对于MOS工作在亚阈值区的情况，在功耗要求特别低的场合，将能解决实际问题。对MOS管的工作区域设定应满足以下要求：

①若要求MOS管工作在饱和区，理论上要保证V_GS>V_TH及V_DS≥V_GS -V_TH；

②若要求MOS管工作在线性区，要保证V_GS>V_TH及0﹤V_GS﹤V_GS-V_TH；

③若要求MOS工作在亚阈区，则要保证栅压满足0﹤V_GS﹤V_TH

但在实际应用时，当V GS与V TH值相差不大时，MOS管将工作在亚阈值区与强反型区的过渡状态，严重影响电路的性能。将电路的工作状态分为弱反型、中等反型和强反型，各个状态之间的界限可根据电压或电流来估计，其方法描述如下：

①电压估计法

a）当V_GS〉V_TH+100mV，为强反型；

b）当V_TH +100mV>V_GS>V_TH -100mV，为中等反型；

c）当V_GS﹤V_TH-100mV为弱反型；

②电流估计法

a）当I_D〉10I_S

b）当10I_S>ID>0.1I_S，为中等反型；

c）当I_D﹤0.1I_S,为弱反型

其中，I_S被称为中等反型特征电流，其表达式如下：



对于W/L=1的NMOS管，I S的典型值从100nA到500nA之间；对于W/L=1的PMOS管，I_S的典型值从40nA到120nA之间。对本设计所使用的工艺，可以计算出宽长比为10u/10u时，P管的亚阈值特征电流I SP约为120nA，N管的特征电流I SN约为230nA.涉及弱反型MOS管的特征参数还有：

①输出电阻考虑沟道长度效应的传统方法是在漏电流方程后乘上（1+V_DS /V_A），因此



V_A为弱反型的欧拉电压。因此，弱反型 MOS 管的输出电阻为



对于给定尺寸的器件，当工作区域从强反型变化到弱反型时，漏电流将下降，对应输出电阻将增加。

②跨导g_m

由弱反型MOS管的漏电流方程，很容易推出其跨导为



③体跨导g_mb

体跨导的定义为



通常g_mb被表示成g_m的一部分，即


对于V_SB很小时



在弱反型区有



由于k随着V_SB增大而增大，一个较为合理的取值为：



3.4小结

本章从系统层次，讨论了锂离子电池管理芯片中的功能设计和功耗优化。

针对锂离子电池管理芯片的应用特点，分析了系统设计中的重点及难点。提出了实时完整的保护功能设计目标后，给出了系统框图。

功耗优化是锂离子电池管理芯片的一个重要目标。混合信号芯片中，DPM技术同样可以由三要素构成：功耗模型、判决策略及电路实现。本章在系统组件的功耗模型基础上，给出了系统的功耗状态机图。确定判决策略时，虽然基于预估算和随机控制的策略在一定程度上，能更好地根据负载变化控制系统功耗，但是所增加的软硬件成本使得它们更适用在实时嵌入式系统中；对于单芯片系统，基于Timeout的策略简单有效，所增加的硬件成本有限而有更大的应用前景，但是由于传统的Timeout策略不涉及负载性质，对功耗优化有很大的不确定性，而且在等待期间的功耗也不容忽视，所以本文提出了基于负载的预关断Timeout策略。然后，本章还给出了系统级DPM实现框图，并提出了能实现两级功耗管理的DPM工作流程，具体的电路将在下一章给出。

此外，基于亚阈值电路在低电流消耗场合的综合表现，对工作在亚阈值区的MOS管作了进一步的分析讨论，并提出了设计中工作状态的判断标准及控制方法。

本章是后面低功耗电路实现及验证的功能设计目标和功耗管理基础。