锂离子电池管理芯片的研究及其低功耗设计-----结论与展望

本章对所做的工作内容和取得的成果作了简要总结，并从更高的要求出发，展望了今后工作方向。

6.1主要结论

近年来，随着信息技术的飞速发展，集成电路的复杂度和集成度有了极大的提高，功耗也因此成为IC设计中除性能、面积之外的另一个重要的设计要素。

在采用电池供电的消费类产品中，集成电路的低功耗设计更是延长电池使用寿命的最有效手段。

目前，对于低功耗的研究往往将模拟、数字电路进行分开讨论，研究得较多也较为成熟的是数字电路低功耗理论。由于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，低功耗通常是结合具体电路而言，所以模拟电路的低功耗研究还有很大的发展空间。而作为一个实际的系统，常常需要将逻辑控制电路和模拟电路一起集成在同一芯片中，即数模混合电路，因此研究混合信号电路的低功耗，讨论模拟电路的实际功耗限制，协同考虑数字、模拟电路的功耗，实现系统层次的统一功耗管理，具有很大的挑战性。

在集成电路中，所谓的电池管理芯片占有特殊的地位。作为二次电池中的一种，锂离子电池具有高质量比能量、高体积比能量、高充放电循环、低放电率，单节电池工作电压高的优点，在便携式产品中获得了广泛的应用。而为了保证它在使用过程中的安全性，要求电池/电池组必须装有保护功能的电池管理芯片。

这类管理芯片通常属于数模混合系统，它不仅要求能实现对电池的高精度保护，还必须保证电流消耗极低，不会影响电池的使用寿命。在小尺寸、轻重量的便携设备中，单节锂离子电池具有很大的应用前景，因此设计单节锂离子电池的管理芯片的保护功能，研究单芯片数模混合电路的功耗优化方法，具有重要的实践指导意义和应用价值。

本文从低功耗设计方面，对混合信号中的数字电路、模拟电路中的低功耗方法进行了讨论和研究，提出了协同考虑数字、模拟电路功耗的思路和方法；针对单节锂离子电池管理芯片的低功耗、高精度要求，进行了保护功能设计，提出了基于负载的系统级动态功耗管理技术，给出了电路实现和系统版图，并通过后模拟验证了功能和包括功耗在内的电学参数指标。

本文的主要工作及研究成果可以总结为：

1、对数模混合信号电路的低功耗设计方法进行了研究。

数字电路的低功耗设计方面，讨论了基本的功耗方程，简要总结了影响电路功耗的四个主要因素分别为：

• 开关活动因子、
• 负载电容、
• 工作频率和工作的电源电压；

重点从电路设计层次，讨论了系统结构级、寄存器传输级、逻辑/门级、版图级的数字电路低功耗设计方法，提出在系统级进行功耗优化，将取得更显著的效果。模拟电路的低功耗设计方面，对模拟电路实现低功耗的基本限制条件作了简要讨论，得出了功耗、信噪比和速度间的约束条件；重点分析了设计中的实际限制条件，推导并给出了由噪声决定的功耗和由精度决定的功耗数学表达式；总结了亚阈值电路、电流模式、浮栅技术、体驱动MOS管技术这四种低压低功耗模拟电路方法，对前两种技术中与噪声和精度相关的功耗进行了数学描述，分析比较了四种方案的适用性，指出在标准的数字电路工艺模式下，亚阈值电路是低功耗模拟电路的较佳选择。数模混合信号低功耗设计方面，设计了将数字电路和模拟电路协同考虑的数模混合电路低功耗拓朴结构；提出了在按传统方法对两部份分别进行功耗优化后，再将数字电路的动态功耗管理技术推广到整个混合信号系统，控制关断不需要工作的模拟电路模块；并对控制信号产生电路和开关电路实现方案作了分析比较。

2、对锂离子电池管理芯片的保护功能和功耗优化进行了研究。

系统功能设计中，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，提出了低电流消耗和高精度的设计难点；

设计了具有过放电电压保护、过充电电压保护、过放电电流三级保护、过充电电流检测及零伏电池充电抑制等功能，并给出了系统框图。

功耗优化分为系统级和电路级。系统级功耗优化中，提出可以从功耗建模、判决策略、电路实现三个层次，讨论适用于单芯片的混合信号系统动态功耗管理技术；在对系统组件的分析建模基础上，给出了系统组件和系统的功耗状态机图。简单总结了非适应性和适应性判决策略，指出基于预测和随机控制的方法，在一定程度上，虽然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方法因为控制简单有效，所增加的硬件成本有限而更有实用价值；本文还针对传统的Timeout方法由于不涉及负载性质，对功耗优化有很大的不确定性，同时在等