锂离子电池管理芯片的研究及其低功耗设计案例

需要指出的是，目前的低功耗研究大多是对模拟和数字电路进行分开讨论。这和模拟电路自身的特点密切相关。模拟集成电路和处理0或1信号的数字电路不同，它主要处理幅度、时间、频率连续变化的信号，并且具有以下特点：

①电路形式的多样性。包括数据转换器（如A/D转换器、D/A转换器等）、运算放大器、线性放大器（低噪声放大器、宽带放大器等）、非线性放大器（模拟乘法器、对数/反对数放大器等）、多路模拟开关、电源电压调节器（线性调压器、开关电源控制器等）、智能功率IC以及各类专用IC.

②性能指标的多样性。包括精度、输入范围、失真、噪声、电源电压抑制比（PSRR）、增益、频率带宽、输入/出阻抗等。

③电路结构的多样性。仅以一个运放为例，就有两级、Cascode、折叠式（Folded）Cascode、A/AB类放大器、单端/差分放大器等众多结构。

④器件的多样性。常见的器件就有晶体管、二极管、电阻、电容、甚至电感等。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，都使得电路及版图的设计必须围绕具体电路展开，设计的自动化程度远远低于数字电路，而难度又远高于后者。

虽然在数字时代，数字电路的设计方法、工艺条件都领先于模拟电路，数字IC的市场占有率也要高于模拟IC，但模拟电路毕竟是数字电路和现实世界的桥梁，所以它仍然有足够的发展空间。另外，在实际的较高复杂度的系统中，总是把存储电路、逻辑控制电路和模拟电路一起集成在同一芯片中，即所谓的数模混合电路。CMOS工艺的成熟和在数字电路中的普遍应用，也要求系统中模拟电路工艺要和标准CMOS工艺相容，因此，模拟电路中包括功耗在内的性能将直接决定着系统的性能。

在混合信号电路中，许多成功应用在数字电路中的低功耗技术，并不适合应用在模拟电路中。例如，降低电源电压是减小功耗的有效方法，但对于模拟电路，正如文献[16]所指出，对于给定的动态范围、增益和增益带宽乘积，降低电源电压将反而使功耗升高，这同时也说明，在低电压下实现低功耗，是以牺牲电路的一部分性能为代价的。因为模拟电路的性能不能脱离具体的电路来讨论，所以有较多的文献报道了低压低功耗电路设计。

随着越来越多的电池供电数模混合电路的出现，上述传统的设计方法受到了强烈的挑战。低功耗必然要求对整个混合信号电路进行统一的功耗管理，而不是将模拟、数字电路孤立开来。从设计的角度，如何协同考虑数字、模拟电路的功耗，会遇到比纯数字电路或纯模拟电路更多的困难。因此，混合信号的低功耗研究开始引起了人们的重视：文献[17]在设计激光驱动器时，曾利用数字信号控制电流开关来减小功耗，但采用的是外加数字信号；文献[18]、[19]提出了利用数字信号来控制模拟电路，但目的是减小电路噪声而不是功耗。2001年清华大学提出了将数字电路的信号控制模拟电路的活动，即所谓的Pulsed-Activation来节省系统的功耗[20]，但只是从电路上证明了这种方法的可行性，对如何有效地节省数模混合系统的功耗，并没有作进一步的理论研究。应该看到，研究混合信号电路的低功耗，将涉及目前的模拟、数字低功耗设计的热点领域，但也有很多问题没有解决，值得进一步深化和完善。

1.3课题研究内容以及文章结构

为了实现锂电池管理芯片的保护功能及低功耗设计要求，本文的主要研究内容为：数模混合电路中的各部分的低功耗设计及协同考虑方法；锂离子电池管理芯片的保护功能设计及低功耗实现；电路设计和仿真，版图实现以及包括功耗在内的后仿真验证。

根据内容需要，本文研究的重点集中在以下几个方面：

①数模混合电路中的低功耗方法分析：研究低功耗的文献相当多，但大多数是将数字电路和模拟电路分开来考虑的。作为一个实际的数模混合系统，低功耗设计不能脱离系统应用的场合，而且又要有一定的可重用性，这有一定的难度，也有相当的挑战性。

②锂离子电池管理芯片的保护功能设计：针对锂离子电池应用特点，设计出能对电池实施实时、有效保护的系统。

③面向锂离子电池管理芯片低功耗实现：从应用场合出发，研究基于负载驱动的数模混合单芯片系统的功耗优化方法。

④版图实现与结果验证：包括版图设计及后模拟验证。其中，结果验证包含两方面：一是功能的准确性验证，二是包含功耗在内的电学参数的精确性验证，三是系统的可实现性验证。1.4本文的研究方案及意义

根据研究现状和设计要求，本文拟采取的研究方案为：

①考虑到混合信号单芯片系统的要求，分别研究数字和模拟电路中的低功耗方法：其中亚阈值电路可以采用标准数字CMOS工艺，比较适合用在低速低电流消耗场合，所以将对亚阈值电路作较深入的理论研究和设计分析，包括失配、噪声对功耗优化的实际限制，设计时电路控制与判断，以及对具体的亚阈值电路结构讨论。

②锂离子电池管理芯片的保护功能设计：包括实时的充放电压检测和控制，即能实现过放电保护、过充电保护、零伏充电电压抑制；包括实时的双向充放电电流检测，即能实现过流的二级保护、短路保护、以