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鋰離子電池管理芯片及其低功耗設(shè)計(jì)實(shí)用案例

鋰離子電池管理芯片的應(yīng)用及發(fā)展


1、鋰離子電池的特點(diǎn)及應(yīng)用


 

早在1912年,以金屬鋰作為電極的鋰電池(Li Battery)的研究就開始了,到上世紀(jì)七十年代,不可充電的鋰電池才**應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域。上世紀(jì)八十年代,研究的重點(diǎn)集中在可充電的鋰離子電池(Li-ion Battery)上,但并沒有成功解決電池的**性問題。一直到1991年,Sony公司**實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池商業(yè)化,被認(rèn)為是能源技術(shù)領(lǐng)域的一個重要的里程牌。


 

如表1.1所示,和Ni-Cd等其它二次電池相比,鋰離子電池具有更高的能量密度(包括質(zhì)量比能量和體積比能量)、更高的充放電循環(huán)、更低的放電率和更高的單節(jié)電池工作電壓(3.6V)。顯然,鋰離子電池的高工作電壓將有利于減小移動裝備的尺寸,高能量密度將有利于電池的輕量化,低放電率也能保證存儲期間的正常使用。


 


 

這十幾年間,鋰離子電池的應(yīng)用獲得了巨大發(fā)展,現(xiàn)已成為通訊類電子產(chǎn)品的主要能源之一,被廣泛應(yīng)用在筆記本電腦、GSM/CDMA、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)及 PDA等**便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。如果將1997年以前適應(yīng)筆記本電腦市場、降低電池成本、提高容量稱為鋰離子電池第一個黃金時(shí)期,那么在手機(jī)、攝像機(jī)等便攜電子產(chǎn)品的普及將使鋰離子電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)入**個黃金時(shí)期。比如,2004年94%的手機(jī)電池是鋰離子電池。隨著技術(shù)的發(fā)展,對鋰離子電池的需求將日益旺盛,2005年預(yù)計(jì)達(dá)12億只。從鋰離子電池的生產(chǎn)和銷售分布來看,在2000年以前,日本是鋰離子電池的最大生產(chǎn)和銷售國,市場占有率達(dá)到95%以上。但近年來隨著中國和韓國的迅速崛起,日本一支獨(dú)秀的格局已經(jīng)被逐漸打破,預(yù)計(jì)2005年日本鋰離子電池的全球市場占有率將跌至50%以下。


 

2、鋰離子電池管理芯片的重要性


 

鋰離子電池的研究開發(fā)中,提高使用**性問題一直是研究的重點(diǎn)。由于質(zhì)量比能量高,而且電解液大多為有機(jī)易燃物等,當(dāng)電池?zé)崃慨a(chǎn)生速度大于散熱速度時(shí),就有可能出現(xiàn)**性問題。有研究指出,鋰離子電池在濫用時(shí),有可能達(dá)到700°C以上的高溫,從而導(dǎo)致電池出現(xiàn)冒煙、著火乃至爆炸;在過放電到低于1V 時(shí),正極表面將析出銅,造成電池內(nèi)部短路;在過流情況下,電池內(nèi)部溫度也極易升高,使電池性能惡化乃至損壞。圖1.1.1給出了在過充電和過放電情況下,鋰離子電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)及性能的變化,式中M代表Co、Al、Ni等金屬離子。


 


 

要提高鋰離子電池使用的**性,除了進(jìn)行深入的機(jī)理研究,選擇合適的電極材料及優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)之外,還必須通過電池外圍的集成電路(IC)對電池進(jìn)行有效的管理。有報(bào)道稱近年來,電池管理(Battery Management)芯片,無論是銷售額還是銷售量在功耗管理(Power Management)芯片中有望增長得最快。鋰離子電池管理目標(biāo)包含對電池電壓監(jiān)測、充放電電流監(jiān)測、溫度監(jiān)測、數(shù)據(jù)計(jì)算以及存儲。管理芯片中,包括保護(hù)電路、燃料檢測電路以及能夠?qū)嵭须姵財(cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)被稱為智能電池系統(tǒng)(Smart Battery System, SBS)。SBS電池組結(jié)構(gòu)如圖1.1.2所示,它由溫度傳感器、能檢測雙向電流的電流檢測器、ADC、EEPROM存儲器、時(shí)鐘、狀態(tài)/控制電路、與主系統(tǒng)單線接口及地址、鋰離子電池保護(hù)電路等組成。其中由ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字量存儲在相應(yīng)的存儲器內(nèi),通過單線接口與主系統(tǒng)連接,對內(nèi)部存儲器進(jìn)行讀/寫的訪問及控制。SBS除了能對電池進(jìn)行有效地保護(hù)之外,還能輸出電池剩余能量信號(可用LCD顯示),這將是鋰離子電池管理芯片發(fā)展的主要目標(biāo)。目前,SBS 應(yīng)用的協(xié)議發(fā)展到了SBdata1.1(數(shù)據(jù)協(xié)議)和SMbus2.0(總線協(xié)議),而在IBM和索尼等筆記本電腦中,有幾個型號已采用了基于電池保護(hù)電路的SBS.。


 

在鋰離子電池管理芯片中,保護(hù)電路由于能夠?qū)崿F(xiàn)對電池電壓、充放電電流監(jiān)測,它既能單獨(dú)內(nèi)置在鋰離子電池中,也能在SBS中充當(dāng)二次保護(hù)電路用,更可貴的是,它能實(shí)現(xiàn)對Ni-Cd、Ni-H電池的同等保護(hù),所以在電池管理芯片中占了很大的份額。


 

3、電池管理芯片的發(fā)展現(xiàn)狀


 

目前,國外的Unitrode、Texas、Dallas等公司紛紛開展了對鋰離子電池管理芯片的研究和開發(fā)。和電池產(chǎn)量在全球市場占有率不斷下滑不同的是,日本的鋰離子電池管理芯片,尤其是保護(hù)電路的設(shè)計(jì)開發(fā),始終在全球占有主導(dǎo)地位。最有名的產(chǎn)品是精工的S82系列、理光的R54系列和MITSUMI 的MM3061系列等。其中,S82系列產(chǎn)品因?yàn)楣δ荦R全、精度高和功耗低,被認(rèn)為是鋰離子電池管理芯片設(shè)計(jì)的領(lǐng)跑者之一。而在中國,除了臺灣有個別單位已開發(fā)出了功能較為簡單的保護(hù)芯片外,近年來,雖然也有個別大陸單位開始研究鋰離子電池保護(hù)電路,但都處于起步階段,精度低、沒有統(tǒng)一的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。更主要的是,目前國內(nèi)還沒有具有獨(dú)立自主產(chǎn)權(quán)的電路出現(xiàn)。


目前,為了在最長的電池使用時(shí)間和最輕的重量之間取得平衡,越來越多的便攜式設(shè)備如手機(jī)、攝像機(jī)等都采用單節(jié)鋰離子電池作為主電源。目前單節(jié)鋰離子電池的管理芯片研究,重點(diǎn)在于:


 

①除了要對電池充電過程進(jìn)行有效管理外,還更迫切地需要實(shí)現(xiàn)對充電及使用過程的全程保護(hù)。這要求芯片不僅具有完備的保護(hù)功能,而且保護(hù)精度如電池電壓、延時(shí)時(shí)間的檢測和控制精度達(dá)到實(shí)用要求。


 

②應(yīng)該盡可能地降低功耗以延長供電電池的使用壽命。作為封裝后電池的一部分,芯片的驅(qū)動始終來自被管理的電池,因此要求芯片要有足夠低的電流消耗。


 

作為一個數(shù)模混合信號電路,可以借鑒已有的一些功耗優(yōu)化方法,但是結(jié)合應(yīng)用特點(diǎn)降低功耗,還要進(jìn)行更深入的理論探索。


 

因此,研究以單節(jié)鋰離子保護(hù)電路為代表的電池管理芯片的低功耗,從系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)到數(shù)模混合信號電路低功耗的設(shè)計(jì),對電池管理芯片的設(shè)計(jì)乃至SBS的開發(fā)都將有相當(dāng)?shù)慕梃b作用。
 

數(shù)模混合信號電路的低功耗設(shè)計(jì)


1、集成電路的低功耗設(shè)計(jì)動因


 

在集成電路發(fā)展的早期到上世紀(jì)八十年代,功耗問題并不是很突出。在這段時(shí)間內(nèi),由于電路系統(tǒng)規(guī)模普遍較小和CMOS工藝的興起,低功耗尚未被作為IC設(shè)計(jì)的重要因素。


 

在1968年,Intel公司的創(chuàng)始人之一G. Moore就預(yù)測,每18到24個月,IC的集成度將提高一倍,這就是有名的Moore定律。而事實(shí)上,這四十多年來,IC技術(shù)就是基本上遵循著 Moore定律取得了巨大的發(fā)展。集成電路經(jīng)歷了從小規(guī)模集成(SSI)發(fā)展到超大規(guī)模(VLSI)到現(xiàn)在的甚大規(guī)模集成(ULSI),即一個芯片上可以包含一億以上的元件的水平。雖然量子效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)的限制將使IC集成度增長的速度趨緩,但是可以預(yù)見的是,隨著新技術(shù)的采用IC的集成度持續(xù)發(fā)展的勢頭將不會改變。同時(shí),系統(tǒng)的復(fù)雜度也在不斷地提高,即將不同功能的器件和電路都集成到一個芯片上,構(gòu)成一個系統(tǒng)集成芯片(SOC)。顯然,集成電路復(fù)雜度和集成度的提高使得低功耗正成為一個不可或缺的電路設(shè)計(jì)指標(biāo)。


 

首先,過高的功耗將使芯片容易過熱,電路可靠性下降,最終導(dǎo)致失效。有研究表明,溫度每升高10 C,器件的故障率將提高兩倍;另外,不斷增高的功耗將給芯片的封裝和散熱提出了更高的要求,這不僅會增加成本,而且在小型化應(yīng)用場合中,這種方案往往不被采納。


 

更重要的是,消費(fèi)類電子產(chǎn)品的發(fā)展和大量應(yīng)用推動了對功耗問題的研究。


 

低功耗的概念是由電子手表等工業(yè)**提出的,而在小型化、高集成度的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中,為了降低電路成本、提高電路穩(wěn)定性、可靠性,更需要設(shè)計(jì)低功耗電路,以保證在集成度提高時(shí),單位面積維持同樣甚至更低的功耗。同時(shí),因?yàn)樵谶^去的三十年中電池的容量僅僅增加了2~4倍,遠(yuǎn)沒有VLSI技術(shù)的發(fā)展迅速,所以在電池供電系統(tǒng)中,集成電路的低功耗設(shè)計(jì)是延長電池使用壽命的最有效手段。此外,便攜式設(shè)備趨于使用更少的電池,以減小尺寸和重量,也必然要求電路實(shí)現(xiàn)低功耗。和十年前相比,消費(fèi)類電子產(chǎn)品在電子產(chǎn)業(yè)中的比例已從40%快速增長到55%,因此可以說消費(fèi)類電子產(chǎn)品是低功耗設(shè)計(jì)的主要推動力。


 

2、數(shù)模混合信號電路的低功耗研究


 

在這種技術(shù)需求和便攜式電子產(chǎn)品的應(yīng)用需求的強(qiáng)烈推動下,CMOS集成電路低壓低功耗設(shè)計(jì)受到了人們的極大重視。目前,人們對集成電路的功耗研究,主要集中在以下兩個方面:


 

一是低功耗工藝的研究。這主要集中在減小特征尺寸、降低電源電壓和降低閾值電壓方面。減小特征尺寸,有助于將復(fù)雜系統(tǒng)集成在同一芯片上,進(jìn)行有效地功耗管理。但是當(dāng)特征尺寸縮小到一定程度,熱載流子效應(yīng)、動態(tài)節(jié)點(diǎn)的軟失效將極大地影響著器件的性能,降低電源電壓成為解決上述問題的較好方案。為了保證低壓邏輯電路的驅(qū)動電流不減少和工作頻率不降低,在降低電源電壓的同時(shí)也要求降低閾值電壓,但是同比例降低閾值電壓會使漏泄電流指數(shù)級增加。采用多閾值電壓器件或是采用可變閾值電壓技術(shù)有望減小漏泄電流引起的功耗,而這些技術(shù)都比較依賴制造工藝。


 

二是低功耗設(shè)計(jì)方法的研究。這是目前低功耗研究中最為活躍的領(lǐng)域。在工藝確定的情況下,它包括低功耗的設(shè)計(jì)方法及評估方法,但主要是針對數(shù)字電路。


 

在保證系統(tǒng)同樣性能的前提下,在芯片設(shè)計(jì)的初期,就從各個層次對功耗進(jìn)行分析優(yōu)化,不僅能夠縮短設(shè)計(jì)周期,還能夠?qū)崿F(xiàn)整體功耗最小化目標(biāo)。從設(shè)計(jì)的角度,低功耗設(shè)計(jì)方法可以分成系統(tǒng)級(System Level)、算法/結(jié)構(gòu)(Architecture/Algorithm Level)、寄存器傳輸級(Register Transfer Level, RTL)、邏輯/門級(Logic/Gate Level)、版圖級(Layout Level)這幾個層次。其中,系統(tǒng)及算法作為低功耗技術(shù)中的高層次,對系統(tǒng)功耗的影響很大。在這種層次上的功耗分析將能對系統(tǒng)功耗進(jìn)行預(yù)測及優(yōu)化,并能實(shí)現(xiàn)幾個數(shù)量級的功耗降低,因此必須加以重視。


 

有效的功耗評估工具和方法是低功耗研究的另一個重要內(nèi)容。如何在設(shè)計(jì)的不同層次對電路功耗進(jìn)行快速準(zhǔn)確地估計(jì),也是集成電路設(shè)計(jì)中的一個熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。通常,把功耗評估分為基于隨機(jī)統(tǒng)計(jì)和模擬的方法這兩類。


 

基于隨機(jī)統(tǒng)計(jì)的功耗估算方法,其基本思想為:先根據(jù)模塊的版圖或邏輯描述,抽取電路或邏輯模型,然后用隨機(jī)產(chǎn)生的輸入流模擬,計(jì)算平均功耗。


 

它的優(yōu)點(diǎn)是速度較快,而且不需要電路內(nèi)部信息,但功耗估算準(zhǔn)確程度不及基于模擬的方法,因此適用于通常設(shè)計(jì)的早期階段。


 

基于模擬的功耗估算方法是用一組典型的輸入矢量進(jìn)行功耗模擬,以獲得平均功耗、最大功耗及最小功耗值。基于模擬的方法精度高,但所占存儲空間和模擬時(shí)間較大,因此可以用一些啟發(fā)信息來加速收斂,如蒙特卡羅(Monte Carlo)

模擬方法和遺傳算法。其中,蒙特卡羅方法是在電路輸入端隨機(jī)產(chǎn)生輸入信號,再用模擬方法計(jì)算在某一時(shí)間間隔內(nèi)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(nèi)環(huán),將能夠?qū)崿F(xiàn)速度和計(jì)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。


 

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(jìn)行分開討論。這和模擬電路自身的特點(diǎn)密切相關(guān)。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(shí)間、頻率連續(xù)變化的信號,并且具有以下特點(diǎn):


 

①電路形式的多樣性。包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(如A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等)、運(yùn)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(guān)、電源電壓調(diào)節(jié)器(線性調(diào)壓器、開關(guān)電源控制器等)、智能功率IC以及各類專用IC.


 

②性能指標(biāo)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(jié)構(gòu)的多樣性。僅以一個運(yùn)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(jié)構(gòu)。


 

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(jié)構(gòu)形式的多樣性、性能指標(biāo)的**性,都使得電路及版圖的設(shè)計(jì)必須圍繞具體電路展開,設(shè)計(jì)的自動化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于數(shù)字電路,而難度又遠(yuǎn)高于后者。


 

雖然在數(shù)字時(shí)代,數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方法、工藝條件都**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(shí)世界的橋梁,所以它仍然有足夠的發(fā)展空間。另外,在實(shí)際的較高復(fù)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)模混合電路。 CMOS工藝的成熟和在數(shù)字電路中的普遍應(yīng)用,也要求系統(tǒng)中模擬電路工藝要和標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝相容,因此,模擬電路中包括功耗在內(nèi)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(yīng)用在數(shù)字電路中的低功耗技術(shù),并不適合應(yīng)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,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(shí)也說明,在低電壓下實(shí)現(xiàn)低功耗,是以犧牲電路的一部分性能為代價(jià)的。因?yàn)槟M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(xiàn)報(bào)道了低壓低功耗電路設(shè)計(jì)。


 

隨著越來越多的電池供電數(shù)模混合電路的出現(xiàn),上述傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法受到了強(qiáng)烈的挑戰(zhàn)。低功耗必然要求對整個混合信號電路進(jìn)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(shè)計(jì)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。


 

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