锂离子电池管理芯片的研究及其低功耗设计-----结论与展望

待期间的功耗也不容忽视这些不足，分析提出了适用于电池管理芯片的基于负载的预关断Timeout方法；本文还建立了系统级的功耗管理框图，并给出了能实现两级功耗管理的工作流程。在电路层次的低功耗设计中，提出采用亚阈值电路可以满足应用要求，对工作在亚阈值区的MOS管作了进一步的分析讨论，并提出了可行的工作状态判断标准及控制方法。

3、对低功耗、高精度的锂离子电池管理芯片的电路实现进行了设计和研究。

本文分析了电池管理芯片所适用的低功耗混合信号设计流程，指出在电路实现层次，模拟电路和数字电路模块可以分别设计验证。数字模块设计中，分析了系统的有限状态机模型，同时在上一章所提出的功耗管理模型基础上，设计了延时模块和逻辑控制模块，不仅能完成系统所需要的基本功能，而且能及时检测负载性质和状态，由数字电路内部输出相应的功耗管理信号。模拟电路模块设计时，首先对电源管理芯片中的极其重要的基础电路进行了深入讨论；采用线性电路实现了电源电压取样；从降低数模电路的电源耦合噪声、降低电流消耗出发，提出了基于热电压U T的亚阈值自偏置电路的设计思想；为了进一步提高所用工艺实现的可能性，重点设计了无电阻电流偏置电路和电流求和型电压基准源电路；详细介绍了模块中检测精度要求最为严格的比较器，即过充比较器的设计，对其它的比较器电路有一定的实践指导作用；给出了管理芯片中的关键功能模块的完整设计方案。

4、对版图、后仿真进行了分析设计和研究。

讨论了数模混合信号电路版图设计中的主要问题后，结合所用工艺，介绍了系统中的一些特殊器件的制作，设计了芯片版图；分析了本文所用的版图验证方案，在此基础上对系统功能、性能指标和功耗作了后仿真验证。从具体的验证结果可以看出，本文所设计的锂离子电池管理芯片和文献中同类先进产品相比，在考虑了工艺漂移、温度变化等因素的影响之后，本芯片能实现所有的设计功能，电学指标达到或优于文献，而电流消耗节省了14%左右。

应该指出，本文提出的适用于锂离子电池管理芯片的低功耗方案，完全可以推广到同类或同系列产品的设计中，因此有相当的工程应用价值。

6.2未来工作展望

本文对于锂离子电池管理芯片的研究尽管做了大量工作，取得了一定的研究成果，对同类系统的低功耗研究和功能设计有着相当的参考价值，但是还可以进一步地完善与发展。

1、锂离子电池管理芯片的低功耗设计方法研究有待进一步深入。

在可以牺牲一部分软硬件为代价的前提下，通过动态功耗管理技术获得有益的功耗节省，对电池管理芯片应该是一个较佳的设计方案。但研究单芯片的混合信号系统，尤其是实时的电池管理芯片，需要建立一个准确有效的功耗模型，本文结合应用特点，提出了分别具有两种、三种功耗状态的系统组件及系统模型，已能够满足一般的要求，但在较为复杂的电池组供电场合，这种模型还需要进一步的改进，即必须建立具有多种关断状态的复杂模型，而此时开关电路模块所引起的能量损耗及时间延迟也必须加以深入考虑。同时，本文提出的基于负载驱动的预关断Timeout方法，虽然能够克服常规Timeout方法的一些局限，如负载信息的不确定，针对电池管理芯片而言更能实现某种程度的自适应性，处理简单而且容易实现，但是它只适用于具有两种功耗状态的系统，对于复杂系统还需要对基于随机控制的功耗优化方法作进一步研究。

2、新技术的发展和采用。

本文在进行电路和版图设计时，为了有效降低电流消耗，不可避免地使用了大电阻（总电阻值在M级），这在实现时占用了较大的版图面积。比如在电压取样电路中，采用Trimming技术的电阻分压电路和MOS管分压电路相比，线性度好、可靠性好，并且能实现后者无法达到的分压比可调；同时电压基准源电路中，因为要输出不同的基准电压，也需要较大的电阻以减小静态电流消耗，所以在电池管理芯片中，目前认为大电阻几乎是无法避免的。但如果在设计时，采用动态模拟电路，相应的动态管理技术也不再是对功耗状态的控制，而是根据负载的性质和要求，动态地控制电路的工作频率，大电阻的问题才有可能解决。但是必须指出的是，这种新的技术对系统时钟的设计，如对时钟频率的选择、时钟树的构建、系统工作的稳定性等都提出了极高的要求。事实上，以时钟频率的设计为例，检测电压高精度必然要求电压采样的频率较高，而系统频率的提高又将极大地影响着功耗优化效果。而且，这种方法也必然增加相应逻辑控制模块的设计难度。但是无论如何，动态采样仍然不失为解决大电阻问题的一个可能方案，还有