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鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設計案例

作者: 時間:2013-12-29 來源:網(wǎng)絡 收藏
法是在電路輸入端隨機產生輸入信號,再用模擬方法計算在某一時間間隔內的功耗。如果將現(xiàn)有的電路級、門級等模擬方法用于蒙特卡羅程序的內環(huán),將能夠實現(xiàn)速度和計算精度的折衷。典型的基于模擬方法的功耗分析軟件有POWERMILL、Entice-Aspen等。

本文引用地址:http://www.2s4d.com/article/227158.htm

需要指出的是,目前的低功耗研究大多是對模擬和數(shù)字電路進行分開討論。這和模擬電路自身的特點密切相關。模擬集成電路和處理0或1信號的數(shù)字電路不同,它主要處理幅度、時間、頻率連續(xù)變化的信號,并且具有以下特點:

①電路形式的多樣性。包括數(shù)據(jù)轉換器(如A/D轉換器、D/A轉換器等)、運算放大器、線性放大器(低噪聲放大器、寬帶放大器等)、非線性放大器(模擬乘法器、對數(shù)/反對數(shù)放大器等)、多路模擬開關、電源電壓調節(jié)器(線性調壓器、開關電源控制器等)、智能功率IC以及各類專用IC.

②性能指標的多樣性。包括精度、輸入范圍、失真、噪聲、電源電壓抑制比(PSRR)、增益、頻率帶寬、輸入/出阻抗等。

③電路結構的多樣性。僅以一個運放為例,就有兩級、Cascode、折疊式(Folded)Cascode、A/AB類放大器、單端/差分放大器等眾多結構。

④器件的多樣性。常見的器件就有晶體管、二極管、電阻、電容、甚至電感等。模擬電路處理信號的連續(xù)性、電路結構形式的多樣性、性能指標的精確性,都使得電路及版圖的設計必須圍繞具體電路展開,設計的自動化程度遠遠低于數(shù)字電路,而難度又遠高于后者。

雖然在數(shù)字時代,數(shù)字電路的設計方法、工藝條件都領先于模擬電路,數(shù)字IC的市場占有率也要高于模擬IC,但模擬電路畢竟是數(shù)字電路和現(xiàn)實世界的橋梁,所以它仍然有足夠的發(fā)展空間。另外,在實際的較高復雜度的系統(tǒng)中,總是把存儲電路、邏輯控制電路和模擬電路一起集成在同一芯片中,即所謂的數(shù)?;旌想娐贰MOS工藝的成熟和在數(shù)字電路中的普遍應用,也要求系統(tǒng)中模擬電路工藝要和標準CMOS工藝相容,因此,模擬電路中包括功耗在內的性能將直接決定著系統(tǒng)的性能。

在混合信號電路中,許多成功應用在數(shù)字電路中的低功耗技術,并不適合應用在模擬電路中。例如,降低電源電壓是減小功耗的有效方法,但對于模擬電路,正如文獻[16]所指出,對于給定的動態(tài)范圍、增益和增益帶寬乘積,降低電源電壓將反而使功耗升高,這同時也說明,在低電壓下實現(xiàn)低功耗,是以犧牲電路的一部分性能為代價的。因為模擬電路的性能不能脫離具體的電路來討論,所以有較多的文獻報道了低壓低功耗電路設計。

隨著越來越多的電池供電數(shù)?;旌想娐返某霈F(xiàn),上述傳統(tǒng)的設計方法受到了強烈的挑戰(zhàn)。低功耗必然要求對整個混合信號電路進行統(tǒng)一的功耗管理,而不是將模擬、數(shù)字電路孤立開來。從設計的角度,如何協(xié)同考慮數(shù)字、模擬電路的功耗,會遇到比純數(shù)字電路或純模擬電路更多的困難。因此,混合信號的低功耗研究開始引起了人們的重視:文獻[17]在設計激光驅動器時,曾利用數(shù)字信號控制電流開關來減小功耗,但采用的是外加數(shù)字信號;文獻[18]、[19]提出了利用數(shù)字信號來控制模擬電路,但目的是減小電路噪聲而不是功耗。2001年清華大學提出了將數(shù)字電路的信號控制模擬電路的活動,即所謂的Pulsed-Activation來節(jié)省系統(tǒng)的功耗[20],但只是從電路上證明了這種方法的可行性,對如何有效地節(jié)省數(shù)?;旌舷到y(tǒng)的功耗,并沒有作進一步的理論研究。應該看到,研究混合信號電路的低功耗,將涉及目前的模擬、數(shù)字低功耗設計的熱點領域,但也有很多問題沒有解決,值得進一步深化和完善。

1.3課題研究內容以及文章結構

為了實現(xiàn)鋰的保護功能及低功耗設計要求,本文的主要研究內容為:數(shù)?;旌想娐分械母鞑糠值牡凸脑O計及協(xié)同考慮方法;的保護功能設計及低功耗實現(xiàn);電路設計和仿真,版圖實現(xiàn)以及包括功耗在內的后仿真驗證。

根據(jù)內容需要,本文研究的重點集中在以下幾個方面:

①數(shù)?;旌想娐分械牡凸姆椒ǚ治觯貉芯康凸牡奈墨I相當多,但大多數(shù)是將數(shù)字電路和模擬電路分開來考慮的。作為一個實際的數(shù)模混合系統(tǒng),低功耗設計不能脫離系統(tǒng)應用的場合,而且又要有一定的可重用性,這有一定的難度,也有相當?shù)奶魬?zhàn)性。

的保護功能設計:針對電池應用特點,設計出能對電池實施實時、有效保護的系統(tǒng)。

③面向鋰離子電池管理芯片低功耗實現(xiàn):從應用場合出發(fā),研究基于負載驅動的數(shù)模混合單芯片系統(tǒng)的功耗優(yōu)化方法。

④版圖實現(xiàn)與結果驗證:包括版圖設計及后模擬驗證。其中,結果驗證包含兩方面:一是功能的準確性驗證,二是包含功耗在內的電學參數(shù)的精確性驗證,三是系統(tǒng)的可實現(xiàn)性驗證。1.4本文的研究方案及意義

根據(jù)研究現(xiàn)狀和設計要求,本文擬采取的研究方案為:

①考慮到混合信號單芯片系統(tǒng)的要求,分別研究數(shù)字和模擬電路中的低功耗方法:其中亞閾值電路可以采用標準數(shù)字CMOS工藝,比較適合用在低速低電流消耗場合,所以將對亞閾值電路作較深入的理論研究和設計分析,包括失配、噪聲對功耗優(yōu)化的實際限制,設計時電路控制與判斷,以及對具體的亞閾值電路結構討論。

②鋰離子電池管理芯片的保護功能設計:包括實時的充放電壓檢測和控制,即能實現(xiàn)過放電保護、過充電保護、零伏充電電壓抑制;包括實時的雙向充放電電流檢測,即能實現(xiàn)過流的二級保護、短路保護、以



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