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电路实现
4.1混合信号电路的设计流程
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201706/348225.htm图4.1.1是混合信号VLSI的top-down详细设计流程。对于前端（Front-end）设计，有全定制、半定制和基于标准单元这三种主要设计方法。基于标准单元的设计方法中，需要先对模块进行完整清晰的定义，然后进行RTL编码和可测性设计，再对整个芯片设计进行验证。采用逻辑综合器，将RTL描述转换成门级描述，而门级描述与所选工艺的标准单元库密切相关。为了跳过这个综合设计阶段，可以从电路结构设计开始，采用SPICE模拟以确定延迟和功耗在预算之内，然后产生一个门级网表来完成后处理任务（如插入扫描测试缓冲器来调整时钟偏差等），再接下来的整个设计流程和综合设计中的类似。
需要指出的是，在IC行为级模型阶段，模拟电路单元需要考虑四种因素：行为、电路结构、模型和功能。考虑功能的目的在于检查包括模拟单元在内的系统的连接性，行为考虑则对功能设计验证有帮助，事实上，行为因素仅仅需要在分析瞬态模型中，它只对稍大电路模块的验证有效，所以并不需要DC或AC模型。在上述因素中，SPICE级的电路结构代表了电路真实性能，而行为描述只给出了单元的功能特点。
从整个晶体管级描述到最后版图生成，是后端设计（Back-end）所包涵的内容，即后端综合和布线优化。这个设计阶段也被称为物理设计阶段，广义地这个阶段包括物理设计、模拟和验证。在混合信号设计中，可以分为两个设计流程：数字设计流程和模拟设计流程。
模拟设计流程需要版图设计、设计规则检查、电学规则检查和LVS比较。
通过LVS检查后，还要进行后版图验证，此时版图提取将考虑寄生效应所产生的寄生电阻、电容和电感等参数影响。后版图模拟对时序、功耗的验证很重要，对整个芯片验证也是不可缺的一步。
可以将后端设计中的数字部分视为模拟版图设计的一个附加步骤。在经过版图设计后，和模拟部分一起进行整个芯片的Back-end验证。Back-end设计的最后一个阶段中，便是在版图中加入I/O pad，保护环等。
图4.1.1中还给出了在设计各阶段所需要用到的设计软件。本章所涉及的是电路的设计部分，而功能、性能验证和版图设计都将在下一章讨论。
4.2控制电路设计
4.2.1控制电路
控制模块中，关键是是状态转换信号的生成，这其中有表示工作状态的逻辑信号输出，还有控制内部模块的功耗控制信号。显然，前者是由系统有限状态机所决定，而后者是由第三章所提出的功耗管理状态机所决定。下面，就这两方面分别加以阐述。
1有限状态机模型
系统有限状态机（FSM）如图4.2.1所示。
从图中可以看出，在相应条件下，系统能输出设计所要求的状态信号，控制CO及DO输出端信号。影响状态改变的参数如下：一是电压检测信号，有过充电电压检测信号V CU、过充电电压释放信号V CL、过放电电压检测信号VDU和过放电电压释放信号VDL；二是VM端过流检测信号，包括过流1检测电压VIOV1、过流2检测电压VIOV2、负载短路检测电压VSHORT和非正常充电检测电压VCHA；三则是延时时间参数，有过充检测延迟时间tCU、过放延时tDL、过流1延时tIOV1、过流2延时tIOV2等。
在如图4.2.1所示的各个状态下，输出端CO、DO信号为：
①正常状态：DO=CO=1
②过充状态：DO=1；CO=0
③过放状态：DO=0；CO=1；VM→V DD
④放电过流状态：DO=0；CO=1；VM→V SS
⑤非正常充电电流状态：DO=1；CO=0；
⑥零伏电池充电抑制：DO=0；CO=0；
⑦Power Down状态：DO=0；CO=1；I DD =I PDN
2控制逻辑设计
控制逻辑（Control Logic）电路是芯片的关键部分之一，电路的延时和相应的逻辑控制都在这部分实现，功耗管理的控制逻辑也包含在这个模块中。
1）模块I/O端口说明图4.2.2给出了逻辑控制模块的框图，表4.1和表4.2给出了模块的功能说明以及各端口的定义。
2）延时信号设计
从前面系统功能分析可知，芯片的控制精度不仅取决于检测电压精度，还和延时控制密切相关。保护功能实现过程中，需要过充、过流2、过流1和过放这四种不同的延时控制，四种延时信号的选择原理如图4.2.3所示。
图4.2.3中，当计数器触发工作后，输出周期不同的连续方波信号。方波前半个周期为延时时间，延时结束后计数器输出端由“0”跳变为“1”，该跳变信号为有效的延时控制信号。计数器延时输出到图中的保持电路Hold后，通过Hold电路将跳变信号锁定，从而可以使电路经过延时后，达到控制DO或CO端翻转的目的。图中，分别与Hold相接的NOR5～NOR8可看作具有置位端B的反相器，其作用是选择有用信号将其从A端传到Y端，而屏蔽无关信号，防止误动作。
在整个电路中，Hold起锁定延时控制信号的作用。图4.2.4为Hold电路的内部原理图和电路符号表示。
图4.2.4中，电路输入端为A，RB，输出端为Y、YB.电路输入和输出的逻辑关系如下：当RB=0时，Y=0、YB=1，Y、YB与A无关；当RB=1时，只要输入端A为高电平，Y即可输出稳定的高电平，YB输出稳定的低电平。即信号锁定后，Y、YB与信号A无关。
3）保护功能实现
①过放电保护控制
过放电保护控制逻辑电路如图4.2.5所示。
当系统由正常状态转化为过放电状态时，过放电比较器的输出COMP_OD由高电平转化为低电平，此时NOR6的输出Y能跟随输入端A的变化而变化。
COMP_OD还通过NAND8使NOR10的输出端Y由“1”跳变为“0”，因为Y与COUNTER的R端直接相连，因此R也变为“0”，启动COUNTER；此时INV7输出端由“0”跳变为“1”，启动H6，在H6和计数器共同作用下，H2~H5开始工作。当过放延时完成后，H3将QB9的上升沿反相锁定并输出到NOR6的A端，NOR6的输出Y经NOR3、NAND1使NOR4的Y端（也即CTRL_DO端）由“1”
跳变为“0”；再通过后续的两级反相使DO由“1”跳变为“0”，从而起过放保护作用。
当COMP_OD由“1”转化为“0”时，它还通过INV9使NOR13的输入端B变为“1”，这样就确保NOR13的输出不会在过放电时变为“1”，M2也就不会导通，就不会使放电回路切断。
②过放电滞后信号产生和解除
一旦过放电延时时间结束，过放电保护就开始起作用，CTRL_M1由“1”变为“0”。此时，如果非正常充电电流检测电路的输出OUT_CDCB为“0”，CTRL_OD_REFB由“0”变为“1”，即产生过放电滞后信号，电路由图4.2.6给出。
当过放电状态结束时，CTRL_M1变为“1”，CTRL_OD_REFB变为“0”，过放电滞后解除；当充电器检测电路的输出由OUT_CDCB为“1”，即使在过放电保护起作用时，CTRL_OD_REFB也为“0”，过放电滞后解除。
③过充电保护控制
当系统发生过充电时，过充电比较器的输出COMP_OC由“1”跳变为“0”，它通过NAND9、NAND2使INV4的输出端Y由“1”跳变到“0”，控制逻辑如图4.2.7所示。
I一方面，NV4的输出信号通过INV10、INV11、INV12反相使NOR5的B端由“1”变为“0”，此时NOR5的Y端能随A端的变化；同时，INV12的输出也输入到NAND5、NAND6的B端，使系统在过充电状态下，禁止过流1和过流2保护起作用。
另一方面，NV4的输出信号输入NOR10，使NOR10输出端由“1”变为“0”，和过放电类似，启动H6、COUNTER开始工作。当过充延时完成的时候，H2将QB12的上升沿反相锁定后输出给NOR5，NOR5的Y端由“0”跳变为“1”，通过INV3、NAND4使过充延时信号DELAY_OC由“1”变为“0”、IN_LCB由“1”变为“0”，再通过INV6使IN_LC由“0”变为“1”，IN_LC、IN_LCB信号送电平移位电路处理后控制CO引脚输出合适的低电平，从而实现过充电保护。
④非正常充电电流保护
当充电电流过大，充电检测电路通过VM端检测到后，输出OUT_CDCB由“0”变为“1”，NAND10的输出端由“1”变为“0”，NAND9的输出由“0”变为“1”，此后就和过充电保护过程一样，最终控制CO输出合适的低电平，以切断充电回路，起保护作用，控制电路见图4.2.7.在过放电保护起作用时，需要禁止非正常充电电流保护，所以还将CTRL_DO的信号送入NAND10的A端。这样，在CTRL_DO由“1”变为“0”时，使NAND10的Y端信号不受充电器检测电路输出OUT_CDCB的影响。
⑤过充电滞后信号的产生和解除
一旦过充电延时时间完成，过充电保护便开始起作用，IN_LC由“1”变为“0”。此时，如果过流1比较器的输出COMP_OCT1为“1”，CTRL_OC_REFB则由“0”变为“1”，这就是过充电滞后信号；当过充电状态结束时，IN_LC变为“1”，CTRL_OC_REFB变为“0”，过充电滞后解除。图4.2.8是过充电滞后信号的组合逻辑电路图。
另外，当过流1比较器的输出COMP_OCT1为“0”时，即使在过充电保护起作用时，CTRL_OC_REFB也为“0”，过充电滞后解除。
⑥过流1保护控制
当过流1比较器的输出端COMP_OCT1由“1”变为“0”时，如图4.2.9所示，信号通过INV8、NAND5后，将NOR8的B端置为“0”，此时NOR8的Y端将跟随A端变化；同时，NAND5的输出将NAND8输出置为“1”，和前面分析类似，通过NOR10启动计数器。当过流1的延时完成时，H5的延时信号送入NOR8的A端，NOR8输出端由“0”变为“1”，再通过NOR3、NAND1、NOR4使CTRL_DO由“1”变为“0”，从而控制DO由“1”跳变为“0”，起过流1保护作用。
另外由图4.2.5可知，只要系统不是过放电状态，NOR13的B端始终为“0”，而出现过流1时的A（CTRL_DO）端将由“1”变为“0”，所以Y端（CTRL_M2B）将由“0”变为“1”，控制M2导通，使过放电流从M2流走。
⑦过流2保护控制
当过流2比较器的输出COMP_OCTB2由“0”变为“1”时，如图4.2.10所示，通过NAND6，使NOR7的B端由“1”变为“0”，NOR7的输出Y与输入A成为反相关系。由于过流2的发生之前一定已经有了过流1，因而计数器已经启动，延时的计时从过流1算起。
如果过流1发生后在2ms之内进入过流2，则过流2延时2ms；因为过流1延时为8ms，如果过流1发生后在2ms之后8ms之前进入过流2，则过流2延时2ms与8ms之间。当过流2延时完成，NOR7的Y端由“0”变为“1”，同样通过NOR3、NAND1、NOR4使CTRL_DO从“1”变为“0”，控制DO由“1”跳变为“0”，起过流2保护作用。
4）功耗管理信号设计
①动态功耗管理控制
图4.2.11（a）和（b）给出了产生动态功耗管理控制信号的组合逻辑图，其中，图（a）输出信号PM_ODB用来控制过放电压取样电路，而（b）中输出信号PM_OCB用来控制过放电压取样电路。
图4.2.11（a）的电路工作原理如下：COMP_VM是负载检测比较器输出信号，其值为“1”时代表所接负载为充电器，此时NAND11输出信号完全由过放延时输出DELAY_ODB决定。正常工作时，DELAY_ODB为“0”，则经过两次反相后，PM_ODB输出也为“0”，控制过放电压取样电路能正常工作；当出现了过放，在延时结束后，DELAY_ODB由“0”跳变为“1”，则对应PM_ODB也输出“1”，关断过放电电压取样电路。而在COMP_VM输出“0”时，代表所接负载为放电负载，此时DELAY_ODB不再起作用，PM_ODB始终为“0”，保证能进行过放电电压取样。
图4.2.11（b）中，当所接负载为充电器时，COMP_VM输出为“1”，经INV18反相后输入NAND12，则此时NAND12的输出与过充延时信号DELAY_OC无关，始终为“1”，则反相后PM_OCB始终为“0”，过充电电压采样不受影响。
但是在接上负载放电时，COMP_VM跳变为“0”，此时NAND12输出信号完全由过充延时输出DELAY_OC决定。和前面分析相似，在放电情况下，正常工作时，DELAY_OC输出为“1”，经三级反相后PM_OCB输出为“0”，过充电电压采样电路能正常工作；而当过充电产生并且延时结束后，DELAY_OC跳变为“0”，反相后PM_OCB输出为“1”切断采样通路。
②Power Down状态控制Power Down状态实现图见图4.2.12.当过放延时结束后，过放延时信号DELAY_ODB由“0”跳变到“1”，经INV2反相后CTRL_M1由“1”跳变为“0”，此时NOR2输出状态（POWERDB）由输入端B（OUT_LS）来决定。CTRL_M1为低电平时，P1导通，将VM端电位升高，一旦VM电压值升到比V DD低1.3V时，OUT_LS将变为低电平，因此POWERDB由“0”跳变到“1”，POWERD由“1”跳变为“0”，从而使振荡器、所有的比较器停止工作，系统进入低功耗状态，也就是Power Down状态。
从上述过程可知，Power Down状态的实现有赖于VM电位的升高。虽然仅从进入Power Down状态的角度来看，完全可以把DELAY_ODB端作为POWERDB直接输出，但是此处强调进入Power Down状态还要受VM控制，一个重要的原因是为了实现Power Down状态的退出。因为一旦电路进入PowerDown状态以后，过放比较器已停止工作，DELAY_ODB信号将保持不变。为了退出Power Down状态，需对电池进行充电，充电后VM电位下降，OUT_LS电位升高，POWERDB可以由“1”跳变为“0”，于是就实现了Power Down状态的释放。
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