3.1 VLSI功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

VLSI的Top-Down低功耗設(shè)計(jì)流程如圖3.1.1所示。圖中，虛框所示的是傳統(tǒng)的VLSI設(shè)計(jì)流程。由圖可見(jiàn)，和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)在每個(gè)關(guān)鍵層次上都增加了功耗的約束條件：一是在關(guān)鍵層次上運(yùn)用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行功耗優(yōu)化，二是對(duì)功耗優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行分析或者評(píng)估。

正如第二章所提出，在設(shè)計(jì)的各個(gè)層次，功耗優(yōu)化的效果都不一樣。在系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)級(jí)，系統(tǒng)框架已經(jīng)確定，在這個(gè)層次介入低功耗設(shè)計(jì)，還需要不涉及電路結(jié)構(gòu)本身，所以功耗優(yōu)化的空間很大，本章所提出的動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)便是在此時(shí)實(shí)施的。在這個(gè)階段，低功耗設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于，建立一個(gè)較為準(zhǔn)確的系統(tǒng)功耗模型，采用有效的功耗管理策略進(jìn)行功耗優(yōu)化。

3.2鋰離子電池管理芯片的保護(hù)功能設(shè)計(jì)

3.2.1應(yīng)用特點(diǎn)及要求

正如緒言中所提到的，隨著便攜式電子產(chǎn)品不斷小型化、性能以及普及率的日益提高，作為其電源的二次電池市場(chǎng)正迅速拓寬。其中，鋰離子電池以其能量密度高、重量輕、循環(huán)次數(shù)長(zhǎng)、自放電率低而在筆記本電腦與移動(dòng)電話領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)占有率已分別在80%與90%以上。

鋰離子電池是以鋰離子的儲(chǔ)存與釋放為電能轉(zhuǎn)換介質(zhì)。由于金屬鋰的化學(xué)活性極強(qiáng)，加上電池內(nèi)部使用了可燃性的有機(jī)溶劑，鋰離子可充電電池如果發(fā)生過(guò)充電、過(guò)放電、外部電路短路或放電電流過(guò)大時(shí)，電池很容易出現(xiàn)膨脹、漏液甚至爆裂等異?，F(xiàn)象，從而導(dǎo)致電池性能惡化甚至失效。因此，每個(gè)電池（組）都必須安裝具有保護(hù)功能的電池管理芯片，也可稱電池保護(hù)芯片，并由其監(jiān)視電池的工作狀態(tài)。一旦電池達(dá)到過(guò)充電、過(guò)放電及過(guò)流狀態(tài)，啟動(dòng)保護(hù)功能，斷開(kāi)系統(tǒng)，而在正常使用條件下，保護(hù)芯片不工作，電池仍可繼續(xù)使用。

通?；芈分谐潆婋娏鞯耐〝嚅_(kāi)關(guān)，由兩個(gè)外加的背靠背的功率MOS管實(shí)現(xiàn)，它既可以是與電池（組）負(fù)端相接的N型功率MOS管，也可以是與電池正端相接的P型MOS管，如圖3.2.1所示.

在這樣的應(yīng)用場(chǎng)合下，鋰離子電池保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)將遇到以下幾個(gè)挑戰(zhàn)：

①面積小、成本低。這樣才能夠內(nèi)置在電池（組）中使用。

②功能強(qiáng)，精度高。一方面要求有內(nèi)置高精度的電壓保護(hù)電路，還要求包括過(guò)流1、過(guò)流2和短路保護(hù)在內(nèi)的三級(jí)過(guò)流保護(hù)機(jī)制；此外，由內(nèi)部實(shí)現(xiàn)延時(shí)，精度高達(dá)30%；最好還應(yīng)該具有充電功能和非正常充電電流保護(hù)功能及零伏電池充電抑制功能。

③低電流消耗：為了盡量減小對(duì)電池壽命的影響，系統(tǒng)的電流消耗必須明顯低于電池的自放電率，這意味著整個(gè)電路僅消耗幾十微安電流。典型地，系統(tǒng)電流應(yīng)不高于3.0μA.

④電壓工作范圍寬：對(duì)于單節(jié)電池保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，更大的挑戰(zhàn)在于低電壓工作能力，這樣才能保證過(guò)放電的電池（低于2V）能正常充電；另外，直接和充電器相接的管腳需要能夠承受高壓。就整個(gè)系統(tǒng)而言，要求能在1.5V～8V的電壓范圍內(nèi)正常工作。

⑤可靠性高。明顯地，該系統(tǒng)要能夠在較寬的溫度范圍（-40℃～85℃）內(nèi)有較高的可靠性。

3.2.2保護(hù)功能設(shè)計(jì)

結(jié)合單節(jié)鋰離子電池保護(hù)芯片的應(yīng)用電路圖，來(lái)討論外圍電路中器件的選擇原則方法以及芯片保護(hù)功能設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上介紹不涉及功耗管理模塊的系統(tǒng)框圖。

1外圍電路及功能設(shè)計(jì)

圖3.2.2給出了單節(jié)鋰離子電池保護(hù)芯片的應(yīng)用圖。

圖3.2.2所示的保護(hù)芯片中，VDD和VSS分別是電池電源和地輸入端；CO和DO分別控制芯片外接的兩個(gè)N型功率MOS管FET1和FET2，來(lái)控制電池的充電及放電回路，工作原理如下：正常工作時(shí)，CO和DO均為與V DD相等的高電平，此時(shí)FET1和FET2導(dǎo)通，電池既可以向負(fù)載放電，又可以由充電器進(jìn)行充電；當(dāng)CO降為低電平時(shí)，F(xiàn)ET1截止，充電回路被切斷，但電池仍然可以通過(guò)FET1的寄生二極管向負(fù)載放電；當(dāng)DO為低電平時(shí)，F(xiàn)ET2截止，放電回路被切斷，但FET2的寄生二極管仍保證了電池可以進(jìn)行充電。此外，圖中3.2.2中還提供了VM端，來(lái)檢測(cè)充、放電過(guò)程中的過(guò)流情況。

圖3.2.2中，保護(hù)芯片外接的元件十分重要。其中，F(xiàn)ET1和FET2是放電和充電控制功率NMOS管，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重視以下參數(shù)：一是導(dǎo)通電阻R on，這兩個(gè)NMOS必須具有盡可能低的導(dǎo)通電阻，以盡量降低壓降和功耗損失；另一方面，從過(guò)流檢測(cè)角度，如接負(fù)載放電時(shí)，過(guò)流檢測(cè)電壓為

式中，I為放電電流。應(yīng)用中為了降低VM值，有效利用放電或充電電流，功率管的導(dǎo)通電阻也應(yīng)盡可能地小，一般地，取20mΩ~30mΩ。二是能承受的電流峰值，由于在短路過(guò)程中，功率MOS管要能夠承受瞬間的大電流，比如單節(jié)鋰離子電池的內(nèi)阻典型值為150m左右，當(dāng)充電到4.1V時(shí)，電池產(chǎn)生的短路電流短時(shí)間內(nèi)將超過(guò)20A；三是尺寸，為了便于封裝，兩個(gè)NMOS的尺寸應(yīng)盡可能地小。另外，圖3.2.2中的R1和C1用于電源波動(dòng)保護(hù)，典型值分別為470和0.1μf；R2用于充電器反接保護(hù)，典型值為1kΩ.

如圖3.2.2所示，在電池接上負(fù)載放電和充電器充電的過(guò)程中，為了能有效地保護(hù)電池，保護(hù)IC將具有以下五種工作狀態(tài)：正常、過(guò)壓保護(hù)（充電過(guò)壓和放電過(guò)壓）、過(guò)流保護(hù)（過(guò)流1、過(guò)流2及負(fù)載短路三種放電過(guò)流及非正常充電電流）、充電檢測(cè)和零伏電池充電抑制狀態(tài).下面分別加以說(shuō)明：

①正常狀態(tài)

IC監(jiān)視VDD端和VSS之間的電池電壓以及VM和VSS端之間的電壓，假如V DD在放電檢測(cè)電壓V_DL和充電檢測(cè)電壓V_CU之間，VM電壓在充電檢測(cè)電壓V_CHA和過(guò)流1檢測(cè)電壓V _IOV1之間，電路就正常工作。此時(shí)CO和DO均處于高電位，用于控制的兩只FET都處于導(dǎo)通狀態(tài)，電路可以向負(fù)載放電，也可以由充電器進(jìn)行充電。為了有效利用放電電流或充電電流，F(xiàn)ET采用導(dǎo)通電阻很小的功率MOSFET.

②過(guò)充電保護(hù)狀態(tài)所謂過(guò)充電保護(hù)工作，是在電池電壓升高到大于過(guò)充電檢測(cè)電壓V_CU并且這種狀態(tài)持續(xù)到過(guò)充電保護(hù)延遲時(shí)間t_CU結(jié)束時(shí)，禁止充電器充電，CO從高電位變?yōu)榈碗娢?，充電控制管FET2截止，停止充電。但在檢測(cè)出過(guò)充電以后，電路仍然可以通過(guò)FET2的寄生二極管向負(fù)載放電。V_CU大于過(guò)充電釋放電壓V_CL，即具有過(guò)充電滯后釋放功能，可以在以下兩種情況釋放過(guò)充電保護(hù)：

一種是當(dāng)電池電壓降到低于V_CL，IC將FET2打開(kāi)，使電路正常工作；另一種情況是，當(dāng)連接電池負(fù)載開(kāi)始放電時(shí)，IC打開(kāi)FET2并使電路回到正常工作狀態(tài)。具體釋放機(jī)制如下：當(dāng)連接負(fù)載并開(kāi)始放電后，放電電流立即流過(guò)FET2內(nèi)部寄生二極管，VM端電壓同時(shí)增至0.7V.IC檢測(cè)到這一高于過(guò)流保護(hù)1電壓V IOV1的電壓后，就使CO電位升高，釋放過(guò)充電狀態(tài)。此時(shí)如果電池電壓等于或低于V CU，電路就立即回到正常工作狀態(tài)，但如果電池電壓高于V CU，即使接上負(fù)載，IC也要電池電壓降到低于V CU才回到正常狀態(tài)。而且當(dāng)接上負(fù)載并且開(kāi)始放電時(shí)，假如VM電壓等于或低于V IOV1，IC則不會(huì)回到正常狀態(tài)。

③過(guò)放電狀態(tài)（具有Power Down狀態(tài)功能）

在正常放電過(guò)程中，當(dāng)電池電壓下降到低于過(guò)放電檢測(cè)電壓V DL并且持續(xù)到過(guò)放電保護(hù)延時(shí)時(shí)間t_DL結(jié)束時(shí)，IC中DO降為低電位，放電控制管FET1截止，停止放電。FET1關(guān)閉后，VM電壓被芯片中VM和VDD端之間電阻R_VMD抬高，同時(shí)VM和VDD端電位差下降，當(dāng)達(dá)到1.3V的負(fù)載短路檢測(cè)電壓V_SHORT時(shí)，電流下降到低電流I_PDN，這種狀態(tài)稱為Power Down狀態(tài)。

當(dāng)接上充電器，VM和VDD端電位差變?yōu)?.3V或更高時(shí)，Power Down狀態(tài)釋放，此時(shí)FET1仍關(guān)閉。當(dāng)電池電壓等于過(guò)放檢測(cè)電壓V_DL或更高時(shí)，IC打開(kāi)FET1將過(guò)放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換為正常狀態(tài)。

④放電過(guò)流狀態(tài)

在正常狀態(tài)下放電時(shí)，當(dāng)放電電流等于或高于特定值，對(duì)應(yīng)于VM電壓等于或高于過(guò)流檢測(cè)電壓，并且持續(xù)到過(guò)流檢測(cè)延遲時(shí)間結(jié)束時(shí)，IC中DO為低電位，放電控制管FET1截止，停止放電，這種狀態(tài)稱為過(guò)流狀態(tài)，并按過(guò)流程度可以分為：過(guò)流1、過(guò)流2或負(fù)載短路狀態(tài)。

在過(guò)流狀態(tài)下，VM和VSS端被電阻RVMS內(nèi)部短路。當(dāng)連接上負(fù)載時(shí)，VM電壓等于V_DD；當(dāng)去掉負(fù)載時(shí)，由于RVMS的短路作用，VM電壓恢復(fù)到V_SS.以過(guò)流1狀態(tài)為例，如果檢測(cè)到VM電壓低于V_IOV1，電路就回到正常狀態(tài)。

但在過(guò)充電狀態(tài)下，IC禁止過(guò)流保護(hù)起作用。這是因?yàn)殡姵卦谶^(guò)充電后接上負(fù)載的情況下，在剛放電的時(shí)候，放電電流必然很大，引起過(guò)流的可能性很大；而過(guò)流保護(hù)如果起作用，就會(huì)關(guān)斷放電回路。這樣，一旦電池過(guò)充電，就可能永遠(yuǎn)不能放電。但過(guò)充電狀態(tài)結(jié)束后，IC又使這種禁止取消，過(guò)流保護(hù)重新起作用，又使系統(tǒng)能得到及時(shí)、有效的過(guò)流保護(hù)。

⑤非正常充電電流檢測(cè)

如果在正常充電條件下，VM電壓下降到低于充電器檢測(cè)電壓V CHA，并且持續(xù)了過(guò)充電檢測(cè)延遲時(shí)間t_CU甚至更長(zhǎng)，IC將關(guān)閉充電控制管FET2，停止充電，這被稱為非正常充電電流保護(hù)。

但在過(guò)放電保護(hù)起作用時(shí)，IC禁止非正常充電電流保護(hù)起作用。因?yàn)楫?dāng)電池過(guò)放電后，剛接上充電器充電時(shí)，充電電流會(huì)很大。此時(shí)禁止非正常充電電流保護(hù)起作用，可有效防止充電回路被切斷，從而保證電池在過(guò)放電后可以再充電。

當(dāng)FET1打開(kāi)，VM電壓下降到低于V_CHA，非正常充電電流檢測(cè)開(kāi)始工作。

因此，如果在過(guò)放電條件下，有非正常充電電流流過(guò)電池，電池電壓變到等于過(guò)放電檢測(cè)電壓V_DL甚至更高，并且過(guò)充電延遲時(shí)間消去后，IC將關(guān)閉FET2，停止充電。當(dāng)去掉充電器，VM和VSS間電壓低于V_CHA時(shí)，非正常充電電流檢測(cè)被釋放。

⑥充電檢測(cè)

電池在過(guò)放條件下接上充電器，如果VM的電壓低于充電檢測(cè)電壓V_CHA，當(dāng)電池電壓高于過(guò)放檢測(cè)電壓V_DL且過(guò)放檢測(cè)延時(shí)滯后釋放，此時(shí)過(guò)放狀態(tài)被解除，F(xiàn)ET1打開(kāi)，這被稱為充電檢測(cè)。如果過(guò)放保護(hù)MOS管關(guān)閉，充電電流只能通過(guò)過(guò)放保護(hù)MOS管的內(nèi)部寄生二極管進(jìn)行充電，因此，充電檢測(cè)狀態(tài)減少了充電的時(shí)間。電池在過(guò)放條件下接上充電器，如果VM引腳的電壓高于充電檢測(cè)電壓V_CHA，當(dāng)電池電壓高于過(guò)放釋放電壓V_DU，過(guò)放狀態(tài)釋放。

⑦零伏電池充電抑制功能

這一功能禁止對(duì)連接其上的內(nèi)部短路的電池（即零伏電池）進(jìn)行充電。當(dāng)電池電壓為0.9V或更低時(shí)，充電控制管FET2的柵極電位被固定為EB-的電位，從而禁止充電。當(dāng)電池電壓等于或高于零伏電池充電抑制電壓V_OINH時(shí)，可以進(jìn)行充電。

2系統(tǒng)框圖

要實(shí)現(xiàn)上面所述的電池管理芯片的保護(hù)功能，芯片的系統(tǒng)框圖如圖3.2.3所示。



圖3.2.3給出了不包含功耗管理模塊的鋰離子電池保護(hù)IC的系統(tǒng)框圖。圖中，取樣電路（Sample）將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓信號(hào)，并將之送入過(guò)充電比較器（Overcharge Comparator）、過(guò)放電比較器（Over-discharge Comparator）和基準(zhǔn)電壓（Reference Voltage）比較，判斷電池電壓是否高于過(guò)充電檢測(cè)電壓或是否低于過(guò)放電檢測(cè)電壓，再由數(shù)字邏輯控制電路（Control Logic）輸出相應(yīng)信號(hào)到CO端和DO端，即完成過(guò)充電、過(guò)放電檢測(cè)功能。

圖3.2.3中的VM端可以監(jiān)測(cè)電池接負(fù)載放電時(shí)的電流大小，和不同的基準(zhǔn)電壓比較后，由三個(gè)比較器：過(guò)流1（Overcurrent1）、過(guò)流2（Overcurrent2）、負(fù)載短路（Load Short Detection）輸出相應(yīng)信號(hào)，并根據(jù)過(guò)流的程度，經(jīng)過(guò)相應(yīng)延時(shí)后，由邏輯控制電路輸出信號(hào)控制DO端。VM端的另一個(gè)作用是可以監(jiān)測(cè)電池接充電器時(shí)的充電電流大小，并通過(guò)邏輯控制電路輸出信號(hào)控制CO或者DO端。