3.3锂离子电池办理芯片的功耗优化
从上面的剖析能够看出，此芯片是一个接连作业的数模混合体系，一起又以被监测的锂离子电池为供电电源，因而有必要能够在电池电压的整个改动规模内正常作业。在完成电路功用并满意检测精度的前提下，为了尽或许延伸电池寿数，下降电路功耗成了别的一个重要的规划方针。因为操控逻辑部分归于数字电路，其静态功耗简直能够疏忽，所以在优化逻辑电路动态功耗的前提下，怎么下降模仿电路的静态功耗并且束缚低电压下体系功耗成了规划要点。
3.3.1 DPM技能在数模混合信号体系中，相同能够选用数字电路的DPM技能来进行功耗优化。即依据负载和使命的改动，及时关掉暂时不作业、也不影响整个体系输出的电路部分，然后减小体系功耗。和传统DPM理论比较，混合信号电路中的操控方针不再是数字电路而是模仿电路，这样也能够更有用地节约体系静态功耗。可是，现在的DPM理论还大大都会集在纯数字电路体系、或是多媒体、无线通讯范畴。面向电池办理芯片的混合信号电路DPM理论还未见报导。
一般地，体系受外界负载信号的鼓励做出呼应，为了呼应使命而需求耗费能量。因为负载信号的到来相互间没有联络，没有任何特征，一般也不遵照必定的概率散布。在不能预知负载特性的状况下，体系有必要能检测并且判别负载性质，依据合理的DPM战略来决议体系内部模块的作业状况。因而，能够先从功耗办理器（Power Manager， PM）的体系笼统结构下手，再进一步研讨办理器的内部组成及完成。
1 PM笼统结构
依照相应功耗办理完成的物理层次，能够分为内部PM和外部PM两类。
图3.3.1给出了外部功耗办理结构。图中，在原有作业体系外部，添加了功耗办理部分（虚线框中所示），其间，检测电路（Observer）搜集负载信息，操控器（Controller）发生强制功耗状况改动的操控信号。操控器能够是一个可编程的微操控器，或许是一个状况机，它既能够坐落内部逻辑中，有时也能够作为一个独自的微处理器存在。图3.3.1所示的外部PM一般由软件完成，因为它能对体系和负载进行精确的实时检测，所以能够选用较杂乱的功耗办理战略，功耗优化效果较佳，常用于较为杂乱的体系如嵌入式体系。外部PM的缺陷是速度较慢，添加了外部与体系之间接口的规划杂乱程度，软硬件归纳价值未必最佳。内部办理器则一般由体系内部硬件完成，因而功耗办理速度较快，对外接口简略，可是在检测整个体系的作业状况时有必定的局限性，一般只能选用较为简略的DPM战略。
DPM作业流程图如图3.3.2所示。从图中能够清楚地看到，当体系发动后，由检测电路来检测体系负载的状况和性质，然后依据不同的战略预算功耗状况，假如不需求关断模块则持续检测负载，假如需求功耗办理，则由操控器发生用于关断相应模块的操控信号。
综上所述，一个DPM体系的挑选和完成，显着首要需求树立体系功耗或许功用以及负载的模型，然后再依据相应的判定战略发生操控信号。下面，就将从PM完成的层次，从功耗建模、判定战略、体系完成这三个方面别离评论。
2功耗建模
功耗建模能够学习DPM中实时嵌入式体系的建模办法，将电池办理芯片界说为一般的功耗办理体系。这个体系由一系列相互影响的受功耗办理器操控的功耗办理组件（Power Management Component， PMC）组成。这种界说是遍及意义上的，在体系级层次，PMC能够是芯片中的一个体系功用模块。为了完成更有用的DPM战略，并不需求了解PMC内部结构，只需求关怀它们与外界怎么相互效果。这种办法将有助于更好地了解PM和PMC之间需求交流怎样的信息。
在规划时，非功耗办理组件的方针仅是在特定的功耗预算下完成功用，而PMC才能够在高功用高功耗和低功用低功耗之间自由地转化，然后抵达功耗与功用的折衷。
PMC的一个基本特征是，它有多种功耗形式，且各种形式之间的转化也或许引起推迟或功用下降。形式数量增多尽管能够更精确地操控PMC的状况，使糟蹋的功耗最小，功用调整抵达最佳，但在实践运用中为了不使规划难度过大，以及完成PM的硬件价值过大，一般都要挑选恰当的PMC功耗形式数。
PMC模型能够由功耗状况机（Power State Machine， PSM）来描绘，PSM中的状况便是PMC各种作业形式，形式之间的转化有功耗或推迟。为简化模型，电池办理芯片的PMC的功耗状况可由图3.3.3所示的PSM表征。
图3.3.3所示的PMC能够有两种状况：一种是ON，此刻PMC正常作业，功率耗费正常；另一种是OFF，PMC被关断，功耗较低。功耗状况的改动一般是要以献身功用和功耗为价值的。比方，假如进入低功耗状况需求关断供电电源，那么从低功耗状况康复则一般需求必定的时刻，这个延时要用来使电源电压/时钟安稳，或从头初始化体系，或许进行状况的从头存储。简而言之，需求有必定的战略来决议PMC何时、是否值得进入低功耗状况；在杂乱的多种功耗状况体系中，则还要挑选进入何种低功耗状况。
需求指出的是，体系及内部组件的模型都能够由PSM来描绘，可是负载的模型改动相对杂乱，比方将从Timeout战略中的简略假定改动到杂乱的随机模型。
可是无论是哪种状况，在高效的功耗办理战略中，都离不开负载的信息。
3功耗办理战略
从上面的剖析能够看出：首要，功耗优化是依据功用束缚条件下的功耗优化，反之也建立；其次，一个有用的功耗办理计划取决于体系和负载的特性。现在，已有的DPM技能和优化战略能够分为非适应性和适应性的两大类。其间，非适应性的DPM技能以依据Timeout战略的为代表，而后者以依据预预算战略、随机操控战略的为代表。
1）Timeout战略
DPM判定战略中，Timeout战略是闲暇状况在等候一段时t timeout后封闭。其算法表述如下：
Timeout PM （）
{
Begin
Initiate ttimeout
If tidle > ttimeout then shutdown
Stay in sleep until request！=0
End
}
Timeout战略中，假定Pr是退出低功耗状况所耗费的功率，tr是相应推迟，则E r =Prtr是退出低功耗的能量，Pi是处于闲暇状况时的功率，则界说一个闲暇等候时刻阈值ttimeout
显着，当等候时刻超越阈值时，进入低功耗状况能节约更多的能量。该战略的思路比较简略，当进入闲暇的一起开端计时，在阈值时刻ttimeout之前不封闭，抵达阈值后才封闭PMC进入低功耗状况，直到接纳到外界输入的使命后再回来作业状况。
由此看出，Timeout战略有比较显着的特色：首要，时刻阈值ttimeout非常重要，合理的设置阈值将显着进步关断的正确性，假定的可信度乃至可达95%.此外，和依据猜测和依据随机操控的战略比较，Timeout战略的运用相对简略。依据猜测的战略是通过学习使命的散布，在输入特性和体系功用的根底上动态地改动阈值，便是通过猜测来消除负载的不确认性。依据猜测的战略中，假如参数较多，则将增大调整的难度，并且它不能很好地操控体系功用的丢失。依据随机操控的战略是将PM看作是一系列随机最优化问题，所触及的体系一般有多种功耗状况而不只仅两种状况的转化。在较为杂乱的多媒体、无信通讯范畴，上述两种战略尽管添加了体系的软硬件或功用的价值，可是和节约的功耗比较仍是值得的。但在单芯片体系中，受本钱和功用的束缚，因为Timeout战略比较简略完成，用内部PM完成时所添加的软硬件担负相对不大，并且功耗节约显着，因而比较受到重视。本文研讨的电池办理芯片是一个实时体系，维护功用的完成依赖于对供电电池状况的检测，选用依据Timeout的战略进行功耗办理，从本钱、价值以及可行性方面，都是一个比较好的挑选。
可是，Timeout战略有以下缺陷：一是关断与否与负载的性质和状况无关，而仅仅依据使命恳求来决议，这显着不能满意锂离子电池办理芯片的运用要求；二是在等候激起Timeout战略的进程中，依然有较大的功率耗费，假如能选用预关断战略，即在体系已阅历的时刻和负载性质确认的根底上，在等候开端时就封闭，这样就能够节约等候期间的功耗。针对上述Timeout战略的缺陷，本文提出了一种依据负载驱动的预关断Timeout战略。
2）依据负载驱动的预关断Timeout战略
一般地，依据负载性质，假定PMC有L种功耗状况，其间L是对应彻底作业状况，1，…，L-1是不同的睡觉状况，则Pl（l=1，…，L-1）是对应不同状况的功耗，从l（l=1，…，L）到m（m=1，…，L，m≠l）不同状况之间转化将有能量和推迟的价值，别离是功耗Ptl,m和推迟tl,m 。为剖析简洁，在状况改动为从l（l=2，…，L）到m（m﹤1)，功耗和推迟都很低，能够疏忽不计。
再界说一个参数Zl（l=1，…，L-1），它是为了取得正的能量有必要保持在l状况的时刻，则有
式中，等式左项代表的是保持在l状况比在l+1状况时，能够节约的能量值，右项表明从l到L以及l+1到L的状况改动间的差值，因而有
前面已提出，结合运用要求和功耗办理本钱，规则电池办理芯片的PMC，只需两种功耗状况，因而有L=2，其间l=1代表关状况，l=2代表开状况。当l=1时，式（3.3.3）变为
能够用式（3.3.4）描绘惯例的Timeout战略：当闲暇时刻t idle比闲暇等候时刻阈值t 1长时，此战略便假定，在t 1 +Z 1时刻段内仍有或许坚持闲暇，此刻关断显着能够节约功耗。而事实上，在能够检测到负载特性的根底上，关于能够处于闲暇状况而不影响输出状况的部分电路，只需满意tidle> Z1，就能够在闲暇等候开端便被关断。
能够从负载、器材和功耗状况的视点，剖析比较常见的Timeout战略和依据负载驱动的预关断Timeout战略，成果如图3.3.4所示。
图3.3.4（a）中，t 1为等候阈值时刻值，Tsd和Twu是状况改动对应的推迟，功耗状况的转化仅仅依据使命恳求；图3.3.4（b）所示的Timeout战略中，功耗状况的转化是依据负载性质和电路状况的判别，所以能够在等候开端时就关断相应电路，此刻体系价值仅是功耗转化之间的推迟。显着，和惯例战略比较，依据负载驱动的预关断Timeout战略能够节约更多的功耗。
4 DPM技能完成框图如前所述，假定电池办理芯片的PMC具有两种功耗状况，体系的PSM就能够如图3.3.5所示。体系有三种功耗状况：一是一切功用模块都正常作业的状况，所耗费功率为正常（Normal），二是依据负载特性动态地封闭部分功耗较大的功用模块，即较低功耗状况（Partly Shutdown）最终是将体系电源及时堵截，最低功耗状况也便是Power Down形式。
为了完成图3.3.5所示的体系PSM，在原体系结构的根底上，本文规划了一个内部PM，并且选用依据负载的预关断Timeout功耗办理战略优化功耗，如图3.3.6所示。
从外部和内部PM的剖析比较能够看出，在能够精确地检测出负载性质和体系状况的前提下，锂离子电池办理芯片选用内部PM，将能够以较小的硬件价值完成快速、灵敏的动态功耗办理。图3.3.6中的PM由负载检测电路、PM操控器组成。其间，操控器是一个状况机，为了尽量减小体系PM操控电路的价值，将其置于体系原有的逻辑电路中，这样也能确保不影响体系其它功用。
PM详细的作业进程如下：运用检测充放电电流的VM端，规划一个比较器，依据VM端电压极性来判别所接负载特性，内部功耗操控逻辑电路接纳比较器输出信号后，则输出相应的操控信号，然后将此刻体系中电流耗费较大，但又能够处于闲暇状况的模仿电路关断。在内部PM中，一切模仿电路的关断都能够由一个MOS开关管操控，DPM信号由操控器输出，操控开关管的导通，然后在需求时能堵截电路与电源或到地的通路。
锂离子电池办理芯片的DPM作业流程见图3.3.7.在图3.3.7（a）中，运用体系检测模块实时监测负载，并判别负载是放电负载仍是充电器。接负载放电时，假如电池处于过充电状况，则不发动DPM，一切功用模块都正常作业；假如电池不是过充电，则将充电电压取样电路封闭，换句话说，此刻体系将对过充电状况的实时检测以节约功耗：假如所接的是充电器，则相同需求预先判别是否过放，是过放状况则不发动DPM，不然将过放电电压取样电路封闭，此刻体系不再以为电池还会处于过放状况。图3.3.7（b）则是运用电池在过放状况下，依据VM与VDD间的压降决议是否进入Power Down状况，即封闭体系电源以保持极低的电流耗费。
从流程图中还能够看出，正是依据负载的预关断Timeout战略，锂离子电池办理芯片的DPM完成关于不同的负载是有不同的：在负载为充电器时，通过放电检测延时时刻tDL后，体系决议是否选用功耗办理；而所接负载是充电器时，则要在过充电检测延时时刻tCU后，再决议是否能够预关断。这种不同发生的实质在于，面向锂电池办理芯片的这种Timeout战略不只需求对负载做出判别，还要运用体系的作业状况，挑选需求功耗办理的相应模块。
3.3.2电路级的功耗优化1亚阈值电路的优缺陷正如第二章所指出，在现有的模仿电路低功耗技能中，亚阈值电路有着特别的位置和效果，在一些对速度要求不是很高的低功耗场合，亚阈值电路是一种较好的挑选。
表3.1列举了亚阈值电路的优缺陷。在给定的电源电压规模下，亚阈值MOS管的饱满电压约为100mV，这将大大进步电路的动态规模，也阐明在低电压下电路仍有较好的动态特性；低的漏电流也添加了它在低电流功耗体系中的优越性。此外在高频时，RN正比于1/gm，而亚阈值区的gm/ID最大，所以此刻噪声最小；在低频时，闪耀噪声占首要位置，并且RN与ID无关，因而在相同的ID下，亚阈值MOS管较高的W/L也意味着更低的RN。
别的，亚阈值MOS管的栅极传输特性具有斜率因子为n的指数联系。源极传输特性与双极晶体管相同，并且其特功用够用栅压来调理，所以在有些状况下，能够用MOS管替代完成相似双极晶体管所能完成的功用。
2电路规划中的操控和判别
从电路规划视点，不只需求操控及判别MOS管的作业区域，还需求把握各作业区域的特征参数，下面别离进行评论。
关于MOS管，其作业区域首要有线性区（可变电阻区）、饱满区和亚阈值区，依据MOS管在模仿电路中的功用不同，其作业区域的设定显得尤为重要。一般状况下，如恒流源电路等，MOS管作业在饱满区；在单个状况下，MOS管作业在线性区，首要当作电阻运用，特别是大电阻，其显着的长处是占用较小的地图面积，并且相对来讲，比电阻的工艺漂移小；此外，关于MOS作业在亚阈值区的状况，在功耗要求特别低的场合，将能处理实践问题。对MOS管的作业区域设定应满意以下要求：
①若要求MOS管作业在饱满区，理论上要确保VGS>VTH及VDS≥VGS -VTH；
②若要求MOS管作业在线性区，要确保VGS>VTH及0﹤VGS﹤VGS-VTH；
③若要求MOS作业在亚阈区，则要确保栅压满意0﹤VGS﹤VTH
但在实践运用时，当V GS与V TH值相差不大时，MOS管将作业在亚阈值区与强反型区的过渡状况，严重影响电路的功用。将电路的作业状况分为弱反型、中等反型和强反型，各个状况之间的边界可依据电压或电流来估量，其办法描绘如下：
①电压估量法
a）当VGS〉VTH+100mV，为强反型；
b）当VTH +100mV>VGS>VTH -100mV，为中等反型；
c）当VGS﹤VTH-100mV为弱反型；
②电流估量法
a）当ID〉10IS
b）当10IS>ID>0.1IS，为中等反型；
c）当ID﹤0.1IS,为弱反型
其间，IS被称为中等反型特征电流，其表达式如下：
关于W/L=1的NMOS管，I S的典型值从100nA到500nA之间；关于W/L=1的PMOS管，IS的典型值从40nA到120nA之间。对本规划所运用的工艺，能够计算出宽长比为10u/10u时，P管的亚阈值特征电流I SP约为120nA，N管的特征电流I SN约为230nA.触及弱反型MOS管的特征参数还有：
①输出电阻考虑沟道长度效应的传统办法是在漏电流方程后乘上（1+VDS /VA），因而
VA为弱反型的欧拉电压。因而，弱反型 MOS 管的输出电阻为
关于给定尺度的器材，当作业区域从强反型改动到弱反型时，漏电流将下降，对应输出电阻将添加。
②跨导gm
由弱反型MOS管的漏电流方程，很简略推出其跨导为
③体跨导gmb
体跨导的界说为
一般gmb被表明成gm的一部分，即
关于VSB很小时
在弱反型区有
因为k跟着VSB增大而增大，一个较为合理的取值为：
3.4小结
本章从体系层次，评论了锂离子电池办理芯片中的功用规划和功耗优化。
针对锂离子电池办理芯片的运用特色，剖析了体系规划中的要点及难点。提出了实时完好的维护功用规划方针后，给出了体系框图。
功耗优化是锂离子电池办理芯片的一个重要方针。混合信号芯片中，DPM技能相同能够由三要素构成：功耗模型、判定战略及电路完成。本章在体系组件的功耗模型根底上，给出了体系的功耗状况机图。确认判定战略时，尽管依据预预算和随机操控的战略在必定程度上，能更好地依据负载改动操控体系功耗，可是所添加的软硬件本钱使得它们更适用在实时嵌入式体系中；关于单芯片体系，依据Timeout的战略简略有用，所添加的硬件本钱有限而有更大的运用远景，可是因为传统的Timeout战略不触及负载性质，对功耗优化有很大的不确认性，并且在等候期间的功耗也不容忽视，所以本文提出了依据负载的预关断Timeout战略。然后，本章还给出了体系级DPM完成框图，并提出了能完成两级功耗办理的DPM作业流程，详细的电路将在下一章给出。
此外，依据亚阈值电路在低电流耗费场合的归纳体现，对作业在亚阈值区的MOS管作了进一步的剖析评论，并提出了规划中作业状况的判别规范及操控办法。
本章是后边低功耗电路完成及验证的功用规划方针和功耗办理根底。
