鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設(shè)計(jì).pdf

1、近年來(lái)，鋰離子電池以其能量密度高、自放電率低、單節(jié)電池電壓高等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的電池管理芯片研究也在不斷地完善與發(fā)展。其中，為了盡可能保證電池使用的安全性并且延長(zhǎng)電池的使用壽命，電池管理芯片的功能及低功耗研究顯得更為迫切和必要。 目前的低功耗理論研究，通常將數(shù)字電路和模擬電路分開考慮，并且大多應(yīng)用于實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)。本文從混合信號(hào)單芯片系統(tǒng)的功耗優(yōu)化方法出發(fā)，針對(duì)低功耗、高精度的應(yīng)用要求，對(duì)鋰離子電池管理芯片的低功耗和保

2、護(hù)功能作了研究。 作為低功耗設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，本文從數(shù)字電路的基本功耗方程出發(fā)，重點(diǎn)討論了各設(shè)計(jì)層次優(yōu)化功耗的方法；對(duì)影響模擬電路低功耗的基本和實(shí)際限制條件作了分析推導(dǎo)后，對(duì)亞閾值電路、電流模式、浮柵和體驅(qū)動(dòng)MOS管等低壓低功耗技術(shù)進(jìn)行了分析比較；并且指出在傳統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，可以將數(shù)字電路的系統(tǒng)級(jí)動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)推廣到整個(gè)混合信號(hào)系統(tǒng)。 在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)方面，詳細(xì)分析了鋰離子電池管理芯片的應(yīng)用特點(diǎn)，提出過(guò)放電電壓、過(guò)充電電壓

3、、三級(jí)放電過(guò)流、非正常充電電流檢測(cè)及零伏電池充電抑制等實(shí)時(shí)要求，功能全面、易于組合。在功耗優(yōu)化方面，提出可以從功耗建模、判決策略、電路實(shí)現(xiàn)三個(gè)層次，討論適用于混合信號(hào)單芯片的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)；針對(duì)原Timeout策略的不足，結(jié)合鋰離子電池管理芯片的工作特點(diǎn)，提出了新的基于負(fù)載的預(yù)關(guān)斷Timeout策略，并給出了能實(shí)現(xiàn)兩級(jí)功耗管理的工作流程，該方法功耗優(yōu)化目標(biāo)明確、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、增加的硬件成本較低；給出了MOS管工作在亞閾值區(qū)的判據(jù)，從而

4、可以在設(shè)計(jì)時(shí)有效地控制電路的工作狀態(tài)。 在邏輯和電路實(shí)現(xiàn)層次，基于系統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)和功耗狀態(tài)機(jī)模型，完成了邏輯控制模塊的設(shè)計(jì)；深入分析了模擬電路中的關(guān)鍵電路，以偏置電路為設(shè)計(jì)重點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于亞閾值MOS管的低功耗電路結(jié)構(gòu)；詳細(xì)介紹了模塊中檢測(cè)精度要求最為嚴(yán)格的過(guò)充比較器的設(shè)計(jì)；提出了關(guān)鍵功能模塊的完整設(shè)計(jì)方案。 在版圖設(shè)計(jì)層次，完成了芯片版圖，并通過(guò)后模擬對(duì)本文提出的系統(tǒng)功能、功耗優(yōu)化方法作了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，本文所設(shè)