3.1 VLSI功耗优化规划流程
VLSI的Top-Down低功耗规划流程如图3.1.1所示。图中，虚框所示的是传统的VLSI规划流程。由图可见，和传统规划办法比较，低功耗优化规划在每个要害层次上都增加了功耗的约束条件：一是在要害层次上运用低功耗规划技能进行功耗优化，二是对功耗优化的成果进行剖析或许评价。
正如第二章所提出，在规划的各个层次，功耗优化的效果都不相同。在体系/结构级，体系结构现已确认，在这个层次介入低功耗规划，还需求不触及电路结构自身，所以功耗优化的空间很大，本章所提出的动态功耗办理技能就是在此刻施行的。在这个阶段，低功耗规划的难点在于，树立一个较为精确的体系功耗模型，选用有用的功耗办理战略进行功耗优化。
3.2锂离子电池办理芯片的维护功用规划
3.2.1运用特色及要求
正如绪言中所说到的，跟着便携式电子产品不断小型化、功用以及普及率的日益进步，作为其电源的二次电池商场正敏捷拓展。其间，锂离子电池以其能量密度高、重量轻、循环次数长、自放电率低而在笔记本电脑与移动电话领域中运用广泛，商场占有率已别离在80%与90%以上。
锂离子电池是以锂离子的贮存与开释为电能转化介质。由于金属锂的化学活性极强，加上电池内部运用了可燃性的有机溶剂，锂离子可充电电池假设发生过充电、过放电、外部电路短路或放电电流过大时，电池很简单呈现胀大、漏液乃至爆裂等异常现象，然后导致电池功用恶化乃至失效。因而，每个电池（组）都有必要装置具有维护功用的电池办理芯片，也可称电池维护芯片，并由其监督电池的作业状况。一旦电池到达过充电、过放电及过流状况，发动维护功用，断开体系，而在正常运用条件下，维护芯片不作业，电池仍可继续运用。
一般回路中充电电流的通断开关，由两个外加的背靠背的功率MOS管完结，它既可所以与电池（组）负端相接的N型功率MOS管，也可所以与电池正端相接的P型MOS管，如图3.2.1所示.
在这样的运用场合下，锂离子电池维护体系规划将遇到以下几个应战：
①面积小、成本低。这样才干够内置在电池（组）中运用。
②功用强，精度高。一方面要求有内置高精度的电压维护电路，还要求包括过流1、过流2和短路维护在内的三级过流维护机制；此外，由内部完结延时，精度高达30%；最好还应该具有充电功用和非正常充电电流维护功用及零伏电池充电按捺功用。
③低电流耗费：为了尽量减小对电池寿数的影响，体系的电流耗费有必要显着低于电池的自放电率，这意味着整个电路仅耗费几十微安电流。典型地，体系电流应不高于3.0μA.
④电压作业规模宽：关于单节电池维护体系规划而言，更大的应战在于低电压作业能力，这样才干确保过放电的电池（低于2V）能正常充电；别的，直接和充电器相接的管脚需求能够接受高压。就整个体系而言，要求能在1.5V～8V的电压规模内正常作业。
⑤可靠性高。显着地，该体系要能够在较宽的温度规模（-40℃～85℃）内有较高的可靠性。
3.2.2维护功用规划
结合单节锂离子电池维护芯片的运用电路图，来评论外围电路中器材的挑选准则办法以及芯片维护功用规划，并在此基础上介绍不触及功耗办理模块的体系框图。
1外围电路及功用规划
图3.2.2给出了单节锂离子电池维护芯片的运用图。
图3.2.2所示的维护芯片中，VDD和VSS别离是电池电源和地输入端；CO和DO别离操控芯片外接的两个N型功率MOS管FET1和FET2，来操控电池的充电及放电回路，作业原理如下：正常作业时，CO和DO均为与V DD持平的高电平，此刻FET1和FET2导通，电池既能够向负载放电，又能够由充电器进行充电；当CO降为低电平时，FET1截止，充电回路被堵截，但电池依然能够经过FET1的寄生二极管向负载放电；当DO为低电平时，FET2截止，放电回路被堵截，但FET2的寄生二极管仍确保了电池能够进行充电。此外，图中3.2.2中还供给了VM端，来检测充、放电过程中的过流状况。
图3.2.2中，维护芯片外接的元件十分重要。其间，FET1和FET2是放电和充电操控功率NMOS管，规划时应该注重以下参数：一是导通电阻R on，这两个NMOS有必要具有尽或许低的导通电阻，以尽量下降压降和功耗丢失；另一方面，从过流检测视点，如接负载放电时，过流检测电压为
式中，I为放电电流。运用中为了下降VM值，有用使用放电或充电电流，功率管的导通电阻也应尽或许地小，一般地，取20mΩ~30mΩ。二是能接受的电流峰值，由于在短路过程中，功率MOS管要能够接受瞬间的大电流，比方单节锂离子电池的内阻典型值为150m左右，当充电到4.1V时，电池发生的短路电流短时刻内将超越20A；三是尺度，为了便于封装，两个NMOS的尺度应尽或许地小。别的，图3.2.2中的R1和C1用于电源动摇维护，典型值别离为470和0.1μf；R2用于充电器反接维护，典型值为1kΩ.
如图3.2.2所示，在电池接上负载放电和充电器充电的过程中，为了能有用地维护电池，维护IC将具有以下五种作业状况：正常、过压维护（充电过压和放电过压）、过流维护（过流1、过流2及负载短路三种放电过流及非正常充电电流）、充电检测和零伏电池充电按捺状况.下面别离加以阐明：
①正常状况
IC监督VDD端和VSS之间的电池电压以及VM和VSS端之间的电压，假设V DD在放电检测电压VDL和充电检测电压VCU之间，VM电压在充电检测电压VCHA和过流1检测电压V IOV1之间，电路就正常作业。此刻CO和DO均处于高电位，用于操控的两只FET都处于导通状况，电路能够向负载放电，也能够由充电器进行充电。为了有用使用放电电流或充电电流，FET选用导通电阻很小的功率MOSFET.
②过充电维护状况所谓过充电维护作业，是在电池电压升高到大于过充电检测电压VCU而且这种状况继续到过充电维护延迟时刻tCU完毕时，制止充电器充电，CO从高电位变为低电位，充电操控管FET2截止，中止充电。但在检测出过充电今后，电路依然能够经过FET2的寄生二极管向负载放电。VCU大于过充电开释电压VCL，即具有过充电滞后开释功用，能够在以下两种状况开释过充电维护：
一种是当电池电压降到低于VCL，IC将FET2翻开，使电路正常作业；另一种状况是，当衔接电池负载开端放电时，IC翻开FET2并使电路回到正常作业状况。详细开释机制如下：当衔接负载并开端放电后，放电电流当即流过FET2内部寄生二极管，VM端电压一起增至0.7V.IC检测到这一高于过流维护1电压V IOV1的电压后，就使CO电位升高，开释过充电状况。此刻假设电池电压等于或低于V CU，电路就当即回到正常作业状况，但假设电池电压高于V CU，即便接上负载，IC也要电池电压降到低于V CU才回到正常状况。而且当接上负载而且开端放电时，假设VM电压等于或低于V IOV1，IC则不会回到正常状况。
③过放电状况（具有Power Down状况功用）
在正常放电过程中，当电池电压下降到低于过放电检测电压V DL而且继续到过放电维护延时时刻tDL完毕时，IC中DO降为低电位，放电操控管FET1截止，中止放电。FET1封闭后，VM电压被芯片中VM和VDD端之间电阻RVMD举高，一起VM和VDD端电位差下降，当到达1.3V的负载短路检测电压VSHORT时，电流下降到低电流IPDN，这种状况称为Power Down状况。
当接上充电器，VM和VDD端电位差变为1.3V或更高时，Power Down状况开释，此刻FET1仍封闭。当电池电压等于过放检测电压VDL或更高时，IC翻开FET1将过放电状况转化为正常状况。
④放电过流状况
在正常状况下放电时，当放电电流等于或高于特定值，对应于VM电压等于或高于过流检测电压，而且继续到过流检测延迟时刻完毕时，IC中DO为低电位，放电操控管FET1截止，中止放电，这种状况称为过流状况，并按过流程度能够分为：过流1、过流2或负载短路状况。
在过流状况下，VM和VSS端被电阻RVMS内部短路。当衔接上负载时，VM电压等于VDD；当去掉负载时，由于RVMS的短路效果，VM电压康复到VSS.以过流1状况为例，假设检测到VM电压低于VIOV1，电路就回到正常状况。
但在过充电状况下，IC制止过流维护起效果。这是由于电池在过充电后接上负载的状况下，在刚放电的时分，放电电流必定很大，引起过流的或许性很大；而过流维护假设起效果，就会关断放电回路。这样，一旦电池过充电，就或许永久不能放电。但过充电状况完毕后，IC又使这种制止撤销，过流维护从头起效果，又使体系能得到及时、有用的过流维护。
⑤非正常充电电流检测
假设在正常充电条件下，VM电压下降到低于充电器检测电压V CHA，而且继续了过充电检测延迟时刻tCU乃至更长，IC将封闭充电操控管FET2，中止充电，这被称为非正常充电电流维护。
但在过放电维护起效果时，IC制止非正常充电电流维护起效果。由于当电池过放电后，刚接上充电器充电时，充电电流会很大。此刻制止非正常充电电流维护起效果，可有用避免充电回路被堵截，然后确保电池在过放电后能够再充电。
当FET1翻开，VM电压下降到低于VCHA，非正常充电电流检测开端作业。
因而，假设在过放电条件下，有非正常充电电流流过电池，电池电压变到等于过放电检测电压VDL乃至更高，而且过充电延迟时刻消去后，IC将封闭FET2，中止充电。当去掉充电器，VM和VSS间电压低于VCHA时，非正常充电电流检测被开释。
⑥充电检测
电池在过放条件下接上充电器，假设VM的电压低于充电检测电压VCHA，当电池电压高于过放检测电压VDL且过放检测延时滞后开释，此刻过放状况被免除，FET1翻开，这被称为充电检测。假设过放维护MOS管封闭，充电电流只能经过过放维护MOS管的内部寄生二极管进行充电，因而，充电检测状况减少了充电的时刻。电池在过放条件下接上充电器，假设VM引脚的电压高于充电检测电压VCHA，当电池电压高于过放开释电压VDU，过放状况开释。
⑦零伏电池充电按捺功用
这一功用制止对衔接其上的内部短路的电池（即零伏电池）进行充电。当电池电压为0.9V或更低时，充电操控管FET2的栅极电位被固定为EB-的电位，然后制止充电。当电池电压等于或高于零伏电池充电按捺电压VOINH时，能够进行充电。
2体系框图
要完结上面所述的电池办理芯片的维护功用，芯片的体系框图如图3.2.3所示。
图3.2.3给出了不包括功耗办理模块的锂离子电池维护%&&&&&%的体系框图。图中，取样电路（Sample）将实时监测电池电压信号，并将之送入过充电比较器（Overcharge Comparator）、过放电比较器（Over-discharge Comparator）和基准电压（Reference Voltage）比较，判别电池电压是否高于过充电检测电压或是否低于过放电检测电压，再由数字逻辑操控电路（Control Logic）输出相应信号到CO端和DO端，即完结过充电、过放电检测功用。
图3.2.3中的VM端能够监测电池接负载放电时的电流巨细，和不同的基准电压比较后，由三个比较器：过流1（Overcurrent1）、过流2（Overcurrent2）、负载短路（Load Short Detection）输出相应信号，并依据过流的程度，经过相应延时后，由逻辑操控电路输出信号操控DO端。VM端的另一个效果是能够监测电池接充电器时的充电电流巨细，并经过逻辑操控电路输出信号操控CO或许DO端。
