锂离子电池管理芯片的研究及其低功耗设计

论文摘要

近年来,锂离子电池以其能量密度高、自放电率低、单节电池电压高等优点,获得了广泛应用,相应的电池管理芯片研究也在不断地完善与发展。其中,为了尽可能保证电池使用的安全性并且延长电池的使用寿命,电池管理芯片的功能及低功耗研究显得更为迫切和必要。目前的低功耗理论研究,通常将数字电路和模拟电路分开考虑,并且大多应用于实时嵌入式系统。本文从混合信号单芯片系统的功耗优化方法出发,针对低功耗、高精度的应用要求,对锂离子电池管理芯片的低功耗和保护功能作了研究。作为低功耗设计的理论基础,本文从数字电路的基本功耗方程出发,重点讨论了各设计层次优化功耗的方法;对影响模拟电路低功耗的基本和实际限制条件作了分析推导后,对亚阈值电路、电流模式、浮栅和体驱动MOS管等低压低功耗技术进行了分析比较;并且指出在传统优化的基础上,可以将数字电路的系统级动态功耗管理技术推广到整个混合信号系统。在系统功能设计方面,详细分析了锂离子电池管理芯片的应用特点,提出过放电电压、过充电电压、三级放电过流、非正常充电电流检测及零伏电池充电抑制等实时要求,功能全面、易于组合。在功耗优化方面,提出可以从功耗建模、判决策略、电路实现三个层次,讨论适用于混合信号单芯片的系统动态功耗管理技术;针对原Timeout策略的不足,结合锂离子电池管理芯片的工作特点,提出了新的基于负载的预关断Timeout策略,并给出了能实现两级功耗管理的工作流程,该方法功耗优化目标明确、实现简单、增加的硬件成本较低;给出了MOS管工作在亚阈值区的判据,从而可以在设计时有效地控制电路的工作状态。在逻辑和电路实现层次,基于系统的有限状态机和功耗状态机模型,完成了逻辑控制模块的设计;深入分析了模拟电路中的关键电路,以偏置电路为设计重点,设计了基于亚阈值MOS管的低功耗电路结构;详细介绍了模块中检测精度要求最为严格的过充比较器的设计;提出了关键功能模块的完整设计方案。在版图设计层次,完成了芯片版图,并通过后模拟对本文提出的系统功能、功耗优化方法作了验证。验证结果表明,本文所设计的锂离子电池管理芯片和文献中同类的先进产品相比,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保护功能,电流消耗节省了14%左右,其它电学指标均达到或优于文献指标。本文设计的锂离子电池管理芯片中,模拟电路的功能模块和功耗管理方法,还可以推广到其它同系列产品的设计中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪言
• 1.1 锂离子电池管理芯片的应用及发展
• 1.1.1 锂离子电池的特点及应用
• 1.1.2 锂离子电池管理芯片的重要性
• 1.1.3 电池管理芯片的发展现状
• 1.2 数模混合信号电路的低功耗设计
• 1.2.1 集成电路的低功耗设计动因
• 1.2.2 数模混合信号电路的低功耗研究
• 1.3 课题研究内容以及论文结构
• 1.4 本文的研究方案及意义
• 1.5 论文结构安排
• 第二章 数模混合电路的低功耗设计方法
• 2.1 数字电路的低功耗设计
• 2.1.1 数字电路的功耗模型和影响因素
• 2.1.2 数字电路的低功耗设计方法
• 2.2 模拟电路的低功耗设计
• 2.2.1 模拟电路低功耗的限制条件
• 2.2.2 模拟电路的低功耗设计方法
• 2.3 数模混合电路的低功耗设计
• 2.4 小结
• 第三章 锂离子电池管理芯片的功能设计及功耗优化
• 3.1 VLSI 功耗优化设计流程
• 3.2 锂离子电池管理芯片的保护功能设计
• 3.2.1 应用特点及要求
• 3.2.2 保护功能设计
• 3.3 锂离子电池管理芯片的功耗优化
• 3.3.1 DPM 技术
• 3.3.2 电路级的功耗优化
• 3.4 小结
• 第四章 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
• 4.2 控制电路设计
• 4.2.1 控制电路
• 4.2.2 振荡器
• 4.3 关键模拟电路设计
• 4.3.1 偏置电路及基准源电路
• 4.3.2 比较器电路
• 4.3.3 其它重要功能电路
• 4.3 小结
• 第五章 版图实现及验证
• 5.1 版图设计
• 5.1.1 数模混合信号电路版图设计
• 5.1.2 系统版图
• 5.2 系统后模拟验证
• 5.2.1 版图验证
• 5.2.2 后模拟结果
• 5.3 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介