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(gè)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(dòng)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(chǔ)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(chǎng)、降低電池成本、提高容量稱為鋰離子電池第一個(gè)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(gè)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(duì)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(guó)，市場(chǎng)占有率達(dá)到95%以上。但近年來隨著中國(guó)和韓國(guó)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(chǎng)占有率將跌至50%以下。
2、鋰離子電池管理芯片的重要性
在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(duì)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(zhǎng)得最快。鋰離子電池管理目標(biāo)包含對(duì)電池電壓監(jiān)測(cè)、充放電電流監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)計(jì)算以及存儲(chǔ)。管理芯片中，包括保護(hù)電路、燃料檢測(cè)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(cè)雙向電流的電流檢測(cè)器、ADC、EEPROM存儲(chǔ)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(chǔ)在相應(yīng)的存儲(chǔ)器內(nèi)，通過單線接口與主系統(tǒng)連接，對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫的訪問及控制。SBS除了能對(duì)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(hào)(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(gè)型號(hào)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(duì)電池電壓、充放電電流監(jiān)測(cè)，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(duì)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(guó)外的Unitrode、Texas、Dallas等公司紛紛開展了對(duì)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(chǎng)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(guó)，除了臺(tái)灣有個(gè)別單位已開發(fā)出了功能較為簡(jiǎn)單的保護(hù)芯片外，近年來，雖然也有個(gè)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(guó)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(cè)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(zhǎng)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(dòng)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(gè)數(shù)模混合信號(hào)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(hào)電路低功耗的設(shè)計(jì)，對(duì)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(hào)電路的低功耗設(shè)計(jì)
1、集成電路的低功耗設(shè)計(jì)動(dòng)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(cè)，每18到24個(gè)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(gè)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(zhǎng)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(shì)頭將不會(huì)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(gè)芯片上，構(gòu)成一個(gè)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(gè)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(huì)增加成本，而且在小型化應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)了對(duì)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?jī)H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(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)力。
2、數(shù)模混合信號(hào)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(dòng)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(duì)集成電路的功耗研究，主要集中在以下兩個(gè)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(dòng)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(dòng)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(huì)使漏泄電流指數(shù)級(jí)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(píng)估方法，但主要是針對(duì)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(gè)層次對(duì)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(jí)(System Level)、算法/結(jié)構(gòu)(Architecture/Algorithm Level)、寄存器傳輸級(jí)(Register Transfer Level， RTL)、邏輯/門級(jí)(Logic/Gate Level)、版圖級(jí)(Layout Level)這幾個(gè)層次。其中，系統(tǒng)及算法作為低功耗技術(shù)中的高層次，對(duì)系統(tǒng)功耗的影響很大。在這種層次上的功耗分析將能對(duì)系統(tǒng)功耗進(jìn)行預(yù)測(cè)及優(yōu)化，并能實(shí)現(xiàn)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的功耗降低，因此必須加以重視。
有效的功耗評(píng)估工具和方法是低功耗研究的另一個(gè)重要內(nèi)容。如何在設(shè)計(jì)的不同層次對(duì)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(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。通常，把功耗評(píng)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(chǔ)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(hào)，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(jí)、門級(jí)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(duì)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(hào)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(hào)，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(duì)數(shù)/反對(duì)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(gè)運(yùn)放為例，就有兩級(jí)、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(hào)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(dòng)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(chǎng)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(chǔ)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(hào)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(duì)于模擬電路，給定的動(dòng)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(duì)整個(gè)混合信號(hào)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(huì)遇到比純數(shù)字電路或純模擬電路更多的困難。
