鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設計.pdf

1、近年來，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，獲得了廣泛應用，相應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，并且大多應用于實時嵌入式系統(tǒng)。本文從混合信號單芯片系統(tǒng)的功耗優(yōu)化方法出發(fā)，針對低功耗、高精度的應用要求，對鋰離子電池管理芯片的低功耗和保

2、護功能作了研究。 作為低功耗設計的理論基礎，本文從數(shù)字電路的基本功耗方程出發(fā)，重點討論了各設計層次優(yōu)化功耗的方法；對影響模擬電路低功耗的基本和實際限制條件作了分析推導后，對亞閾值電路、電流模式、浮柵和體驅動MOS管等低壓低功耗技術進行了分析比較；并且指出在傳統(tǒng)優(yōu)化的基礎上，可以將數(shù)字電路的系統(tǒng)級動態(tài)功耗管理技術推廣到整個混合信號系統(tǒng)。 在系統(tǒng)功能設計方面，詳細分析了鋰離子電池管理芯片的應用特點，提出過放電電壓、過充電電壓

3、、三級放電過流、非正常充電電流檢測及零伏電池充電抑制等實時要求，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、電路實現(xiàn)三個層次，討論適用于混合信號單芯片的系統(tǒng)動態(tài)功耗管理技術；針對原Timeout策略的不足，結合鋰離子電池管理芯片的工作特點，提出了新的基于負載的預關斷Timeout策略，并給出了能實現(xiàn)兩級功耗管理的工作流程，該方法功耗優(yōu)化目標明確、實現(xiàn)簡單、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、可以在設計時有效地控制電路的工作狀態(tài)。 在邏輯和電路實現(xiàn)層次，基于系統(tǒng)的有限狀態(tài)機和功耗狀態(tài)機模型，完成了邏輯控制模塊的設計；深入分析了模擬電路中的關鍵電路，以偏置電路為設計重點，設計了基于亞閾值MOS管的低功耗電路結構；詳細介紹了模塊中檢測精度要求最為嚴格的過充比較器的設計；提出了關鍵功能模塊的完整設計方案。 在版圖設計層次，完成了芯片版圖，并通過后模擬對本文提出的系統(tǒng)功能、功耗優(yōu)化方法作了驗證。驗證結果表明，本文所設