1.1锂离子电池办理芯片的运用及打开
1.1.1锂离子电池的特色及运用
早在1912年，以金属锂作为电极的锂电池（Li Battery）的研讨就开端了，到上世纪七十年代，不行充电的锂电池才初次运用在商业范畴。上世纪八十年代，研讨的要点会集在可充电的锂离子电池（Li-ion Battery）上，但并没有成功处理电池的安全性问题。一直到1991年，Sony公司初次完结了锂离子电池商业化，被认为是动力技能范畴的一个重要的路程牌。
如表1.1所示，和Ni-Cd等其它二次电池比较，锂离子电池具有更高的能量密度（包含质量比能量和体积比能量）、更高的充放电循环、更低的放电率和更高的单节电池作业电压（3.6V）。明显，锂离子电池的高作业电压将有利于减小移动配备的尺度，高能量密度将有利于电池的轻量化，低放电率也能确保存储期间的正常运用。
这十几年间，锂离子电池的运用取得了巨大打开，现已成为通讯类电子产品的首要动力之一，被广泛运用在笔记本电脑、GSM/CDMA、数码相机、摄像机及PDA等高端便携式消费类电子产品中[2]。假如将1997年曾经习惯笔记本电脑商场、下降电池本钱、进步容量称为锂离子电池第一个黄金时期，那么在手机、摄像机等便携电子产品的遍及将使锂离子电池工业进入第二个黄金时期。比方，2004年94%的手机电池是锂离子电池。跟着技能的打开，对锂离子电池的需求将日益旺盛，2005年估量达12亿只[3]。从锂离子电池的出产和出售散布来看，在2000年曾经，日本是锂离子电池的最大出产和出售国，商场占有率到达95%以上。但近年来跟着我国和韩国的敏捷鼓起，日本一支独秀的格式现已被逐步打破，估量2005年日本锂离子电池的全球商场占有率将跌至50%以下。
1.1.2锂离子电池办理芯片的重要性
在锂离子电池的研讨开发中，进步运用安全性问题一直是研讨的要点。由于质量比能量高，而且电解液大多为有机易燃物等，当电池热量发生速度大于散热速度时，就有或许呈现安全性问题。有研讨指出，锂离子电池在滥用时，有或许到达700°C以上的高温，然后导致电池呈现冒烟、着火乃至爆破；在过放电到低于1V时，正极外表将分出铜，形成电池内部短路；在过流情况下，电池内部温度也极易升高，使电池功用恶化乃至损坏。图1.1.1给出了在过充电和过放电情况下，锂离子电池内部的化学反应及功用的改动，式中M代表Co、Al、Ni等金属离子。
要进步锂离子电池运用的安全性，除了进行深化的机理研讨，挑选适宜的电极材料及优化全体结构之外，还有必要经过电池外围的集成电路（IC）对电池进行有用的办理。有报导称近年来，电池办理（Battery Management）芯片，无论是出售额仍是出售量在功耗办理（Power Management）芯片中有望添加得最快。锂离子电池办理方针包含对电池电压监测、充放电电流监测、温度监测、数据核算以及存储。办理芯片中，包含维护电路、燃料检测电路以及能够施行电池数据传输的体系被称为智能电池体系（Smart Battery System， SBS）。SBS电池组结构如图1.1.2所示，它由温度传感器、能检测双向电流的电流检测器、ADC、EEPROM存储器、时钟、状况/操控电路、与主体系单线接口及地址、锂离子电池维护电路等组成。其间由ADC转化的数字量存储在相应的存储器内，经过单线接口与主体系衔接，对内部存储器进行读/写的访问及操控。SBS除了能对电池进行有用地维护之外，还能输出电池剩下能量信号（可用LCD显现），这将是锂离子电池办理芯片打开的首要方针。现在，SBS运用的协议打开到了SBdata1.1（数据协议）和SMbus2.0（总线协议），而在IBM和索尼等笔记本电脑中，有几个类型已选用了依据电池维护电路的SBS.
在锂离子电池办理芯片中，维护电路由于能够完结对电池电压、充放电电流监测，它既能独自内置在锂离子电池中，也能在SBS中充任二次维护电路用，更可贵的是，它能完结对Ni-Cd、Ni-H电池的平等维护，所以在电池办理芯片中占了很大的份额。
1.1.3电池办理芯片的打开现状
现在，国外的Unitrode、Texas、Dallas等公司纷繁打开了对锂离子电池办理芯片的研讨和开发。和电池产值在全球商场占有率不断下滑不同的是，日本的锂离子电池办理芯片，尤其是维护电路的规划开发，一直在全球占有主导地位。最闻名的产品是精工的S82系列、理光的R54系列和MITSUMI的MM3061系列等。其间，S82系列产品由于功用完全、精度高和功耗低，被认为是锂离子电池办理芯片规划的领跑者之一。而在我国，除了台湾有单个单位已开发出了功用较为简略的维护芯片外，近年来，尽管也有单个大陆单位开端研讨锂离子电池维护电路，但都处于起步阶段，精度低、没有一致的维护规范。更首要的是，现在国内还没有具有独当一面产权的电路呈现。
现在，为了在最长的电池运用时刻和最轻的分量之间取得平衡，越来越多的便携式设备如手机、摄像机等都选用单节锂离子电池作为主电源。现在单节锂离子电池的办理芯片研讨，要点在于：
①除了要对电池充电进程进行有用办理外，还更火急地需求完结对充电及运用进程的全程维护。这要求芯片不只具有齐备的维护功用，而且维护精度如电池电压、延时时刻的检测和操控精度到达有用要求。
②应该尽或许地下降功耗以延伸供电电池的运用寿命。作为封装后电池的一部分，芯片的驱动一直来自被办理的电池，因而要求芯片要有满意低的电流耗费。
作为一个数模混合信号电路，能够学习已有的一些功耗优化办法，可是结合运用特色下降功耗，还要进行更深化的理论探究。
因而，研讨以单节锂离子维护电路为代表的电池办理芯片的低功耗，从体系功用完结到数模混合信号电路低功耗的规划，对电池办理芯片的规划乃至SBS的开发都将有适当的学习作用。
1.2数模混合信号电路的低功耗规划
1.2.1集成电路的低功耗规划动因
在集成电路打开的前期到上世纪八十年代，功耗问题并不是很杰出。在这段时刻内，由于电路体系规划遍及较小和CMOS工艺的鼓起，低功耗尚未被作为IC规划的重要因素。
在1968年，Intel公司的创始人之一G. Moore就猜测，每18到24个月，IC的集成度将进步一倍，这便是闻名的Moore规律。而事实上，这四十多年来，IC技能便是根本上遵从着Moore规律取得了巨大的打开。集成电路阅历了从小规划集成（SSI）打开到超大规划（VLSI）到现在的甚大规划集成（ULSI），即一个芯片上能够包含一亿以上的元件的水平。尽管量子效应和经济的约束将使IC集成度添加的速度趋缓，可是能够预见的是，跟着新技能的选用IC的集成度持续打开的气势将不会改动。一同，体系的杂乱度也在不断地进步，行将不同功用的器材和电路都集成到一个芯片上，构成一个体系集成芯片（SOC）。明显，集成电路杂乱度和集成度的进步使得低功耗正成为一个不行或缺的电路规划方针。
首要，过高的功耗将使芯片简略过热，电路可靠性下降，终究导致失效。有研讨标明，温度每升高10 C，器材的故障率将进步两倍；别的，不断增高的功耗将给芯片的封装和散热提出了更高的要求，这不只会添加本钱，而且在小型化运用场合中，这种计划往往不被选用。
更重要的是，消费类电子产品的打开和许多运用推进了对功耗问题的研讨。
低功耗的概念是由电子手表等工业初次提出的，而在小型化、高集成度的消费类电子产品中，为了下降电路本钱、进步电路稳定性、可靠性，更需求规划低功耗电路，以确保在集成度进步时，单位面积保持相同乃至更低的功耗。一同，由于在曩昔的三十年中电池的容量仅仅添加了2～4倍，远没有VLSI技能的打开敏捷，所以在电池供电体系中，集成电路的低功耗规划是延伸电池运用寿命的最有用手法。此外，便携式设备趋于运用更少的电池，以减小尺度和分量，也必定要求电路完结低功耗。和十年前比较，消费类电子产品在电子工业中的份额已从40%快速添加到55%，因而能够说消费类电子产品是低功耗规划的首要推进力。
1.2.2数模混合信号电路的低功耗研讨
在这种技能需求和便携式电子产品的运用需求的激烈推进下，CMOS集成电路低压低功耗规划受到了人们的极大注重。现在，人们对集成电路的功耗研讨，首要会集在以下两个方面：
一是低功耗工艺的研讨。这首要会集在减小特征尺度、下降电源电压和下降阈值电压方面。减小特征尺度，有助于将杂乱体系集成在同一芯片上，进行有用地功耗办理。可是当特征尺度缩小到必定程度，热载流子效应、动态节点的软失效将极大地影响着器材的功用，下降电源电压成为处理上述问题的较好计划。为了确保低压逻辑电路的驱动电流不削减和作业频率不下降，在下降电源电压的一同也要求下降阈值电压，可是同份额下降阈值电压会使漏泄电流指数级添加。选用多阈值电压器材或是选用可变阈值电压技能有望减小漏泄电流引起的功耗，而这些技能都比较依靠制作工艺。
二是低功耗规划办法的研讨。这是现在低功耗研讨中最为活泼的范畴。在工艺确认的情况下，它包含低功耗的规划办法及评价办法，但首要是针对数字电路。
在确保体系相同功用的前提下，在芯片规划的初期，就从各个层次对功耗进行剖析优化，不只能够缩短规划周期，还能够完结全体功耗最小化方针。从规划的视点，低功耗规划办法能够分红体系级（System Level）、算法/结构（Architecture/Algorithm Level）、寄存器传输级（Register Transfer Level， RTL）、逻辑/门级（Logic/Gate Level）、地图级（Layout Level）这几个层次。其间，体系及算法作为低功耗技能中的高层次，对体系功耗的影响很大。在这种层次上的功耗剖析将能对体系功耗进行猜测及优化，并能完结几个数量级的功耗下降，因而有必要加以注重。
有用的功耗评价东西和办法是低功耗研讨的另一个重要内容。如安在规划的不同层次对电路功耗进行快速精确地估量，也是集成电路规划中的一个热门和难点问题。一般，把功耗评价分为依据随机核算和模仿的办法这两类。
依据随机核算的功耗预算办法，其根本思想为：先依据模块的地图或逻辑描绘，抽取电路或逻辑模型，然后用随机发生的输入流模仿，核算均匀功耗。
它的长处是速度较快，而且不需求电路内部信息，但功耗预算精确程度不及依据模仿的办法，因而适用于一般规划的前期阶段。
依据模仿的功耗预算办法是用一组典型的输入矢量进行功耗模仿，以取得均匀功耗、最大功耗及最小功耗值。依据模仿的办法精度高，但所占存储空间和模仿时刻较大，因而能够用一些启示信息来加快收敛，如蒙特卡罗（Monte Carlo）
模仿办法和遗传算法。其间，蒙特卡罗办法是在电路输入端随机发生输入信号，再用模仿办法核算在某一时刻距离内的功耗。假如将现有的电路级、门级等模仿办法用于蒙特卡罗程序的内环，将能够完结速度和核算精度的折衷。典型的依据模仿办法的功耗剖析软件有POWERMILL、Entice-Aspen等。
需求指出的是，现在的低功耗研讨大多是对模仿和数字电路进行分隔评论。这和模仿电路本身的特色密切相关。模仿%&&&&&%和处理0或1信号的数字电路不同，它首要处理起伏、时刻、频率接连改动的信号，而且具有以下特色：
①电路方式的多样性。包含数据转化器（如A/D转化器、D/A转化器等）、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（模仿乘法器、对数/反对数放大器等）、多路模仿开关、电源电压调节器（线性调压器、开关电源操控器等）、智能功率IC以及各类专用IC.
②功用方针的多样性。包含精度、输入规模、失真、噪声、电源电压按捺比（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/差分放大器等许多结构。
④器材的多样性。常见的器材就有晶体管、二极管、电阻、%&&&&&%、乃至电感等。
模仿电路处理信号的接连性、电路结构方式的多样性、功用方针的精确性，都使得电路及地图的规划有必要环绕详细电路打开，规划的自动化程度远远低于数字电路，而难度又远高于后者。
尽管在数字年代，数字电路的规划办法、工艺条件都领先于模仿电路，数字IC的商场占有率也要高于模仿IC，但模仿电路毕竟是数字电路和实践国际的桥梁，所以它依然有满意的打开空间。别的，在实践的较高杂乱度的体系中，总是把存储电路、逻辑操控电路和模仿电路一同集成在同一芯片中，即所谓的数模混合电路。CMOS工艺的老练和在数字电路中的遍及运用，也要求体系中模仿电路工艺要和规范CMOS工艺相容，因而，模仿电路中包含功耗在内的功用将直接决议着体系的功用。
在混合信号电路中，许多成功运用在数字电路中的低功耗技能，并不合适运用在模仿电路中。例如，下降电源电压是减小功耗的有用办法，但关于模仿电路，正如文献[16]所指出，关于给定的动态规模、增益和增益带宽乘积，下降电源电压将反而使功耗升高，这一同也阐明，在低电压下完结低功耗，是以献身电路的一部分功用为价值的。由于模仿电路的功用不能脱离详细的电路来评论，所以有较多的文献报导了低压低功耗电路规划。
跟着越来越多的电池供电数模混合电路的呈现，上述传统的规划办法受到了激烈的应战。低功耗必定要求对整个混合信号电路进行一致的功耗办理，而不是将模仿、数字电路孤立开来。从规划的视点，怎么协同考虑数字、模仿电路的功耗，会遇到比纯数字电路或纯模仿电路更多的困难。因而，混合信号的低功耗研讨开端引起了人们的注重：文献[17]在规划激光驱动器时，曾使用数字信号操控电流开关来减小功耗，但选用的是外加数字信号；文献[18]、[19]提出了使用数字信号来操控模仿电路，但意图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操控模仿电路的活动，即所谓的Pulsed-Activation来节约体系的功耗[20]，但仅仅从电路上证明晰这种办法的可行性，对怎么有用地节约数模混合体系的功耗，并没有作进一步的理论研讨。应该看到，研讨混合信号电路的低功耗，将触及现在的模仿、数字低功耗规划的热门范畴，但也有许多问题没有处理，值得进一步深化和完善。
1.3课题研讨内容以及文章结构
为了完结锂电池办理芯片的维护功用及低功耗规划要求，本文的首要研讨内容为：数模混合电路中的各部分的低功耗规划及协同考虑办法；锂离子电池办理芯片的维护功用规划及低功耗完结；电路规划和仿真，地图完结以及包含功耗在内的后仿真验证。
依据内容需求，本文研讨的要点会集在以下几个方面：
①数模混合电路中的低功耗办法剖析：研讨低功耗的文献适当多，但大多数是将数字电路和模仿电路分隔来考虑的。作为一个实践的数模混合体系，低功耗规划不能脱离体系运用的场合，而且又要有必定的可重用性，这有必定的难度，也有适当的应战性。
②锂离子电池办理芯片的维护功用规划：针对锂离子电池运用特色，规划出能对电池施行实时、有用维护的体系。
③面向锂离子电池办理芯片低功耗完结：从运用场合动身，研讨依据负载驱动的数模混合单芯片体系的功耗优化办法。
④地图完结与成果验证：包含地图规划及后模仿验证。其间，成果验证包含两方面：一是功用的精确性验证，二是包含功耗在内的电学参数的精确性验证，三是体系的可完结性验证。
1.4本文的研讨计划及含义
依据研讨现状和规划要求，本文拟采纳的研讨计划为：
①考虑到混合信号单芯片体系的要求，别离研讨数字和模仿电路中的低功耗办法：其间亚阈值电路能够选用规范数字CMOS工艺，比较合适用在低速低电流耗费场合，所以将对亚阈值电路作较深化的理论研讨和规划剖析，包含失配、噪声对功耗优化的实践约束，规划时电路操控与判别，以及对详细的亚阈值电路结构评论。
②锂离子电池办理芯片的维护功用规划：包含实时的充放电压检测和操控，即能完结过放电维护、过充电维护、零伏充电电压按捺；包含实时的双向充放电电流检测，即能完结过流的二级维护、短路维护、以及非正常充电电流维护；别的，当外置热敏电阻时，能完结温度的检测和维护。
③数模混合电路的负载驱动型低功耗规划办法：分功耗建模、功耗办理战略以及完结三个部分评论。树立适用于办理芯片的功耗模型，对功耗办理战略剖析比较后，选用完结简略操控简略的办法，并加以改进，提出依据负载的功耗优化计划。
④低功耗混合电路的地图规划和功用功耗验证：功用和电学参数能够经过电路级仿真软件（如HSP%&&&&&%E、VERILOG、POWERMILL等）来直接验证，而且和相关文献的方针来进行比照；运用CADENCE，完结体系地图；经过从地图提取参数，并经往后模仿来验证体系的可完结性。
由上看出，本文的研讨含义至少有以下几方面：
①数模混合电路中的各部分的低功耗理论及协同考虑办法，是体系规划和功耗优化的理论基础。
②低功耗、高精度、小型化是当今电池办理芯片的打开趋势，更是满意运用的必定要求，研讨电池办理芯片的低功耗有重要的有用价值。
③选用面向单芯片的混合电路的体系级动态功耗办理技能，不只拓宽了动态功耗办理理论在纯数字体系及实时嵌入式体系之外的运用，还能结合运用特色，战胜原有的缺乏，打开新的内容。
④本文的研讨内容和成果关于其它电池办理类芯片有适当的学习作用。
1.5文章结构组织
第一章为序言，首要剖析论文的研讨布景与研讨现状，提出本文的研讨内容与要点。
第二章评论低功耗规划办法。首要，依据数字电路的功耗模型，自顶向下评论不同的规划层次能够选用的低功耗办法；其次，评论并推导模仿电路的低功耗约束条件，包含根本约束条件，以及失配、噪声对功耗优化的实践约束条件，总结比较常用的低功耗电路；最终，评论现有的混合信号电路中，低功耗规划办法及要点，并提出可行的低功耗拓朴结构，为下一章作理论预备。
第三章树立锂离子电池办理芯片的维护体系架构并进行功耗优化规划。首要，提出芯片维护功用要求，树立体系框图；然后评论电池办理芯片的低功耗规划，在对体系功耗状况建模的基础上，研讨确认依据负载的体系级动态功耗办理技能，优化电池办理芯片功耗：并在低功耗电路规划中，对亚阈值模仿电路作具有指导含义的评论。
第四章给出详细的电路完结。分为数字电路和模仿电路规划。数字电路中，在体系有限状况机的基础上，对逻辑部分进行功用规划；依据前章给出的功耗状况机的完结流程，完结功耗办理逻辑规划。模仿电路中，要点评论依据亚阈值电路的基准源模块，具有代表性的过充电比较器，以及其它重要的功用电路规划。
第五章给出芯片地图，经过将后仿真的成果与参考文献比较，验证功用完结和功耗优化的作用。
第六章进行总结并提出展望。
