Внедрение чипа управления литий-ионным аккумулятором

1.1 Приложение для управления литий-ионными батареями и разработка чипа

1.1.1 Характеристики и применение литий-ионного аккумулятора

Еще в 1912 году начались исследования литиевых батарей (Li Battery) с металлическим литием в качестве электрода. В 1970-х годах в коммерческой сфере впервые были использованы неперезаряжаемые литиевые батареи. В 1980-х годах исследования были сосредоточены на перезаряжаемых литий-ионных батареях (Li-ion Battery), но не смогли успешно решить проблему безопасности батарей. До 1991 года Sony Corporation впервые осуществила коммерциализацию литий-ионных аккумуляторов и считалась важной вехой в области энергетических технологий.

По сравнению с никель-кадмиевыми и другими вторичными батареями литий-ионные батареи с более высокой плотностью энергии, чем энергия и объем (включая качество), более высоким циклом заряда и разряда, более низкой скоростью разряда и более высоким напряжением отдельной батареи (3,6 В). Высокое рабочее напряжение литий-ионной батареи будет способствовать уменьшению размера мобильного оборудования, высокая плотность энергии будет хороша для легкой батареи, низкая скорость разряда также может обеспечить нормальное использование периода хранения.

В этом десятилетии применение литий-ионных аккумуляторов получило огромное развитие, теперь они стали одним из основных продуктов электронной связи, широко используемых в портативных компьютерах, GSM / CDMA, цифровых камерах, видеокамерах и КПК [2] в высокопроизводительных устройствах. портативная бытовая электроника. Если 1997 лет назад, чтобы адаптироваться к рынку портативных ПК, снизить затраты на аккумулятор, увеличить емкость, называется литий-ионный аккумулятор первый золотой период, поэтому в популярности мобильных телефонов, фотоаппаратов и других портативных электронных продуктов сделает промышленность литий-ионных аккумуляторов во второй золотой период. Например, в 2004 году 94% аккумуляторов мобильных телефонов составляют литий-ионные аккумуляторы. С развитием технологий спрос на ионно-литиевые батареи будет расти, как ожидается, в 2005, 2005 [3]. С точки зрения производства и сбыта литий-ионных аккумуляторов до 2000 года Япония была крупнейшим производителем и литий-ионные батареи продаются, рыночная доля составляет 95% и более. Но в последние годы, наряду с быстрым ростом Китая и Южной Кореи, Японии, модель страны постепенно нарушается, ожидается, что в 2005 году доля Японии на мировом рынке литий-ионных аккумуляторов упадет ниже 50%.

1.1.2 Важность микросхемы управления литий-ионной батареей

В исследованиях и разработках литий-ионных аккумуляторов повышение безопасности использования всегда является ключевым моментом исследования. Поскольку качество выше, чем энергия и большая часть органического электролита, трут и т. Д., Когда тепло батареи выделяется, когда скорость больше, чем скорость охлаждения, возможны проблемы с безопасностью. Исследования показали, что литий-ионный аккумулятор при неправильном использовании может достигать высокой температуры выше 700 ° C, что приводит к дыму, возгоранию и взрыву аккумуляторов; При разряде ниже 1 В будет осаждаться медная поверхность анода, что вызовет внутреннее короткое замыкание аккумулятора; В условиях потока внутренняя температура батареи повышается, что приводит к ухудшению характеристик батареи и повреждению. В условиях перезаряда и разряда, химической реакции и характеристик внутренних литий-ионных аккумуляторов, тип M представляет собой ионы Co, Al, Ni и других металлов.

Для повышения безопасности литий-ионной батареи, помимо механизма углубленного исследования, выбора подходящего материала электродов и оптимизации общей структуры, также необходимо использовать батарею периферийной интегральной схемы (IC) батареи для эффективного управления. В последние годы появились сообщения о том, что чип управления батареей (Battery Management), будь то в продажах или управлении продажами (Power Management), как ожидается, будет расти быстрее всего в чипе. Цели управления литиево-ионными батареями включают в себя напряжение батареи, ток заряда и разряда, мониторинг температуры, вычисление и хранение данных. Микросхема управления, включающая схему защиты, схему обнаружения топливных элементов и возможность реализации системы передачи данных, называется системой интеллектуальной батареи (Smart Battery System, SBS). Структура батареи SBS состоит из датчиков температуры, для обнаружения двунаправленного токового блока детектора тока , АЦП, память EEPROM, часы, одиночная схема состояния / управления, а также основной системный интерфейс и адрес, схема защиты литий-ионной батареи и т. Д. Путем преобразования АЦП цифровой памяти в соответствующей памяти через единый интерфейс, подключенный к основной Система, доступ для чтения / записи и управление внутренней памятью. SBS, помимо эффективной защиты батареи, может также сигнализировать оставшаяся мощность батареи (ЖК-дисплей), и это будет основной целью разработки микросхемы управления литиево-ионной батареей. В настоящее время применение соглашения SBS достигло SBdata1.1 (протокол данных) и SMbus2.0 (протокол шины), и, например, IBM и ноутбук SONY, было принято несколько моделей на основе схемы защиты батареи SBS.

В микросхеме управления литиево-ионной батареей может быть реализована схема защиты из-за напряжения батареи, контроля тока заряда и разряда, она может отделять встроенную литий-ионную батарею, также может действовать как вторичная схема защиты в SBS с, тем более Ценно то, что он может реализовать Ni - Cd, Ni - H равную защиту батареи, поэтому на микросхему управления батареей приходится большая доля.

1.1.3 Текущая ситуация с разработкой микросхемы управления батареей

В настоящее время зарубежные компании Unitrode, Техас, Даллас и другие компании проводят исследования и разработки микросхемы управления литиево-ионными батареями. И производство аккумуляторов на мировом рынке сокращается, японские микросхемы управления литий-ионными аккумуляторами, особенно дизайн и разработка схем защиты, всегда занимали доминирующее положение в мире. Это самые известные продукты серии Seiko S82, серии Ricoh R54 и серии MITSUMI MM3061 и т. Д. Среди них продукты серии S82 из-за полных функций, высокой точности и низкого энергопотребления, считаются одним из дизайнов микросхем управления литиево-ионными батареями. лидер. В Китае, помимо функции отдельных устройств Тайвань разработал относительно простой чип защиты, в последние годы, хотя отдельные материковые страны начали исследования блока цепи защиты литий-ионных батарей, но находятся в зачаточном состоянии, низкая точность и не унифицированные стандарт защиты. Что еще более важно, в настоящее время у местных жителей нет самостоятельных прав собственности.

В настоящее время в самой длинной батарее, чтобы найти баланс между временем и самым легким весом, все большее количество портативных устройств, таких как мобильные телефоны и камеры, используют одну секцию литий-ионной батареи в качестве основного источника питания. Текущее исследование одного раздела микросхемы управления литиево-ионной батареей, акцент делается на:

(1) В дополнение к процессу зарядки аккумулятора для эффективного управления, также более срочно необходимо реализовать во всем процессе процесса зарядки и защиты использования. Для этого требуется, чтобы микросхема не только имела совершенную функцию защиты, но и обеспечивала защиту, например, от напряжения батареи, точности обнаружения времени задержки и точности управления, чтобы удовлетворить практические требования.

(2) Необходимо максимально снизить энергопотребление, чтобы продлить срок службы аккумуляторной батареи. Как часть пакета после аккумулятора, драйвер микросхемы всегда от управления аккумулятором, поэтому микросхема должна иметь достаточно низкое потребление тока.

Как и в схеме со смешанным сигналом, можно извлечь уроки из существующего метода оптимизации энергопотребления, но в сочетании с характеристиками применения снижения энергопотребления для проведения более глубоких теоретических исследований.

Таким образом, представленная односекционной литиевой схемой защиты микросхемы управления батареей, низкое энергопотребление, от реализации функций системы до конструкции аналоговой схемы со смешанными сигналами, низкое энергопотребление конструкции микросхемы управления батареей и даже разработка SBS будет иметь большое значение. .

Конструкция с низким энергопотреблением 1,2 d / a смешанная сигнальная цепь

1.2.1 Маломощная конструкция интегральной схемы

На ранних этапах развития интегральных схем до 1980-х годов проблема рассеивания мощности не очень заметна. В течение этого периода из-за, как правило, небольшого масштаба и развития систем КМОП-схем, низкое энергопотребление не было важным фактором при проектировании ИС.

В 1968 году один из основателей Intel Дж. Мур прогнозировал, что каждые 18–24 месяца интеграция микросхем будет удваиваться, и это знаменитый закон Мура. На самом деле, за эти сорок лет технология ИС в основном следует закону Мура и достигла большого развития. Интегральная схема прошла путь развития от мелкомасштабной интеграции (SSI) до очень крупномасштабной (VLSI) до нынешней очень крупномасштабной интеграции (ULSI), то есть микросхема может содержать более ста миллионов элементов. Хотя квантовые эффекты и экономический предел заставят интеграцию IC замедлить темпы роста, но, как и ожидалось, с принятием новой технологии интеграции IC тенденция устойчивого развития не изменится. В то же время сложность системы также постоянно улучшается, различные функции устройств и схем интегрированы в микросхему, микросхема (SOC) составляет системную интеграцию. Очевидно, что повышение сложности интегральной схемы и интеграции делает схему с низким энергопотреблением незаменимым показателем.

В первую очередь, высокое энергопотребление сделает микросхему легко перегреваемой, надежность схемы в конечном итоге приведет к выходу из строя. Исследования показали, что повышение температуры каждые 10 ° C в два раза увеличивает количество отказов устройства; Кроме того, увеличение энергопотребления приведет к инкапсуляции чипа и охлаждению, выдвинутым более высоким запросом, это не только увеличит стоимость, но и приведет к миниатюризации приложений, это решение часто не применяется.

Что еще более важно, бытовая электроника и большое количество приложений, способствующих развитию исследований проблемы энергопотребления.

Является ли впервые концепция низкого энергопотребления электронными часами и другими отраслями промышленности, а также миниатюризация бытовой электроники, высокая степень интеграции, чтобы снизить стоимость схемы, повысить стабильность, надежность, больше необходимо разработать схему с низким энергопотреблением, чтобы Убедитесь, что при интеграции улучшается, чтобы поддерживать такое же или даже более низкое энергопотребление на единицу площади. В то же время, поскольку за последние 30 лет емкость батареи увеличилась в 2 ~ 4 раза, только далеко от СБИС технология быстро развивалась, поэтому система питания батареи, конструкция интегральной схемы с низким энергопотреблением является наиболее эффективным способом продления срок службы аккумуляторной батареи. Кроме того, портативные устройства, как правило, используют меньше батареи, чтобы уменьшить размер и вес, что также является неизбежным требованием схемы для реализации низкого энергопотребления. По сравнению с тем, что было десять лет назад, потребительская электроника в электронной промышленности быстро росла с 40% до 40%, поэтому бытовая электроника является основным двигателем дизайна с низким энергопотреблением.

1.2.2, d / a смешанная сигнальная цепь исследования низкого энергопотребления

В этом технические требования и применение портативных электронных продуктов требует сильного, управляемого низким напряжением маломощного КМОП-интегральной схемы, было уделено большое внимание. В настоящее время исследования энергопотребления интегральных схем в основном сосредоточены в следующих двух аспектах:

Во-первых, это изучение маломощной технологии. В основном это связано с уменьшенными размерами элементов для уменьшения напряжения питания и порогового напряжения. Чтобы уменьшить размер характеристик, провести комплексную системную интеграцию на одном кристалле, эффективно управляя энергопотреблением. Но когда размеры функции уменьшаются до определенной степени, эффект горячего носителя, мягкий динамический отказ узла значительно повлияет на производительность устройства, снижение напряжения источника питания станет лучшим решением для решения этих проблем. Низкая логическая схема для того, чтобы ток привода не уменьшался, а рабочая частота снижалась, чтобы уменьшить напряжение питания, а также уменьшить пороговое напряжение, но с более низким пороговым напряжением может вызвать экспоненциальное увеличение тока утечки. ИСПОЛЬЗУЕТ устройства порогового напряжения или ИСПОЛЬЗУЕТ технологию переменного порогового напряжения, как ожидается, уменьшит рассеиваемую мощность, вызванную током утечки, которые зависят от производственного процесса.

Во-вторых, это методы исследования с низким энергопотреблением. Это низкое энергопотребление, которое наиболее активно используется в исследуемой области. Технология в определенных обстоятельствах включает методы проектирования и оценки с низким энергопотреблением, но в основном они предназначены для цифровых схем.

При условии гарантии одинаковой производительности в начале проектирования микросхемы на всех уровнях для анализа оптимизации энергопотребления, это не только может сократить цикл проектирования, но и обеспечить минимизацию общего энергопотребления. С точки зрения проектирования, методы проектирования с низким энергопотреблением можно разделить на системный уровень (системный уровень), алгоритм / структуру (уровень архитектуры / алгоритма), уровень передачи регистров (уровень передачи регистров RTL,), логическую дверь / уровни (LogIC / Уровень ворот), ландшафтный (уровень макета) эти уровни. Среди них система и алгоритм для технологии с низким энергопотреблением на высоком уровне будут влиять на энергопотребление системы. На этом уровне энергопотребления можно будет прогнозировать энергопотребление при анализе и оптимизации системы, что может на несколько порядков снизить энергопотребление, поэтому следует обратить внимание.

Эффективные инструменты оценки и метод энергопотребления - еще одна важная часть исследования низкого энергопотребления. Как спроектировать различные уровни для быстрой и точной оценки потребляемой мощности схемы, также является горячей и сложной проблемой при проектировании интегральных схем. В общем, оценка потребляемой мощности делится на метод, основанный на случайной статистике, и на моделирование двух классов.

Основан на случайном статистическом методе оценки энергопотребления, и его основная идея заключается в следующем: сначала в соответствии с схемой извлечения модуля или логической модели схемы или логического описания, а затем с использованием моделирования случайного входного потока вычислить среднее энергопотребление.

Преимущество этого метода состоит в том, что он быстр, и нет необходимости в схемах внутренней информации, но точность оценки энергопотребления выше, чем у метода, основанного на моделировании, поэтому его обычно применяют на ранних этапах проектирования.

На основе метода моделирования для оценки потребляемой мощности является использование набора типичных имитаций входной векторной мощности, чтобы получить среднюю потребляемую мощность, максимальную потребляемую мощность и минимальное значение потребления энергии. Основан на методе моделирования высокой точности, но учитывает большее пространство для хранения и время, поэтому для ускорения сходимости можно использовать моделирование некоторой эвристической информации, например, Монте-Карло (Монте-Карло)

Методы моделирования и генетические алгоритмы, среди которых метод Монте-Карло случайным образом генерирует входной сигнал на входе схемы, а затем использует аналоговый метод для расчета энергопотребления в определенном временном интервале. Если существующий уровень схемы, уровень логического элемента и другие методы моделирования применяются к внутреннему циклу программы Монте-Карло, будет достигнут компромисс между скоростью и точностью вычислений. Типичными программами анализа мощности, основанными на аналоговых методах, являются POWERMILL, Entice-Aspen и т. Д.

Необходимо отметить, что текущие исследования малой мощности в основном для аналоговых и цифровых схем обсуждаются отдельно. Аналоговая схема, тесно связанная со своими характеристиками аналоговой интегральной схемы и 0 или 1 обработки сигнала цифровой схемы, отличается, она в основном имеет дело с непрерывным изменением амплитуды сигнала, времени, частоты и имеет следующие особенности:

Разнесение в виде (1) схемы: включая преобразователь данных (например, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговые преобразователи и т. Д.), Операционный усилитель и линейные усилители (малошумящий усилитель и широкополосный усилитель и т. Д.), Нелинейный усилитель ( аналоговый умножитель, логарифмический / антилогарифмический усилитель и т. д.), многоканальный аналоговый переключатель, регулятор напряжения источника питания (линейный регулятор напряжения, импульсный контроллер источника питания и т. д.), интеллектуальная ИС питания и все виды специальных ИС.

(2) Разнообразие показателей производительности: включая точность, входной диапазон, искажения, шум и коэффициент отклонения источника питания (PSRR), усиление по напряжению, полосу частот, входное / выходное сопротивление и т. Д.

(3) Разнообразие структурных схем: только в случае операционного усилителя есть два уровня: каскодирование, сворачивание, сложенное каскодирование, усилитель A / класса AB, несимметричный / дифференциальный усилитель и многие другие структуры.

(4) Разнообразие устройств. Обычные устройства - это транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и даже катушки индуктивности.

Непрерывность схемы обработки аналогового сигнала, структура схемы в виде разнообразия, точность индекса производительности, делает дизайн схемы и компоновки должны строиться вокруг конкретной схемы, дизайн автоматической степени намного ниже, чем цифровой схема, и сложность намного выше, чем у последней.

Хотя в цифровую эпоху, метод проектирования цифровых схем, условия процесса являются ведущими в аналоговых схемах, доля рынка цифровых ИС также выше, чем аналоговых ИС, но, в конце концов, аналоговая схема является мостом между цифровой схемой и реальным миром, поэтому у него еще достаточно места для развития. Кроме того, в условиях высокой сложности реальной системы всегда объединяйте схему хранения, схему логического управления и аналоговую схему в один и тот же кристалл, известный как схемы смешанного сигнала. Зрелая технология КМОП и широко применяется в цифровых схемах, также требует, чтобы технология аналоговых схем системы была совместима со стандартным процессом КМОП, поэтому в аналоговой схеме, включая энергопотребление, производительность будет напрямую определять производительность системы.

В схемах со смешанными сигналами многие успешные применения в технологии цифровых схем с низким энергопотреблением не подходят для применения в аналоговых схемах. Например, эффективный способ снижения энергопотребления напряжения источника питания снижается, но для аналоговой схемы, как указано в литературе [16], для заданного динамического диапазона, усиления и произведения коэффициента усиления на полосу пропускания снижается потребляемая мощность напряжение источника питания будет выше, это также показывает, что при низком напряжении низкое энергопотребление за счет потери части производительности схемы. Поскольку производительность аналоговой схемы не может выходить за рамки конкретной схемы для обсуждения, поэтому в большей части литературы сообщается о конструкции низковольтной схемы малой мощности.

По мере того, как все больше и больше батарей используется в схемах со смешанными сигналами, традиционный метод проектирования стал серьезной проблемой. Низкое энергопотребление для схем смешанного сигнала для унифицированного управления, энергопотребление, а не изолированное от аналоговой и цифровой схемы. С точки зрения дизайна, как координировать энергопотребление цифровой и аналоговой схемы, будет труднее, чем чисто цифровая схема или чисто аналоговая схема. Смешанный сигнал с низким энергопотреблением, поэтому начало исследования вызвало внимание людей: в литературе [17] при разработке драйвера лазера использовался цифровой сигнал для управления переключателем тока для снижения энергопотребления, но это плюс цифровой сигнал; В литературе [18], [19] предлагается использовать цифровой сигнал для управления аналоговой схемой, но цель состоит в том, чтобы уменьшить шум схемы, а не потребляемую мощность. В 2001 году была предложена цифровая схема сигнала Университета Цинхуа для управления активностью аналоговой схемы, так называемая импульсная активация с целью экономии энергопотребления системы [20], но только от схемы для обоснования осуществимости метод, как эффективно снизить энергопотребление системы со смешанными сигналами, и никаких дальнейших теоретических исследований. Следует видеть, что схема смешанного сигнала с низким энергопотреблением будет включать в себя горячую область маломощных аналоговых и цифровых схем, но также имеет много проблем, которые не решаются, достойные дальнейшего углубления и совершенствования.

1.3 содержание и структура исследования

Для достижения защитной функции микросхемы управления литиевой батареей и требований к конструкции с низким энергопотреблением основное содержание исследования этой статьи состоит в следующем: низкое энергопотребление каждой части схемы со смешанными сигналами и метод совместного мышления; Защитная функция дизайна микросхемы управления литиево-ионной батареей и низкое энергопотребление; Схемное проектирование и моделирование, компоновка и моделирование, включая энергопотребление, позже.

Согласно требованиям к содержанию, исследования в данной статье сосредоточены на следующих аспектах:

Аналоговый метод гибридной схемы анализа низкого энергопотребления: (1) исследования представляют собой обширную литературу о низком энергопотреблении, но большинство из них представляют собой отдельные цифровые и аналоговые схемы, которые следует учитывать. Как практическая система со смешанными сигналами, конструкция с низким энергопотреблением не может быть отделена от случаев применения системы, и она, несомненно, должна иметь возможность многократного использования, что имеет определенные трудности и также представляет собой серьезную проблему.

(2) Защитная функция микросхемы управления литиево-ионной батареей: в соответствии с характеристиками литий-ионной батареи, разработанной для реализации эффективной защиты аккумуляторной системы в реальном времени.

(3) Для реализации чипа управления литий-ионной батареей: низкое энергопотребление с точки зрения приложений, исследование однокристальной системы со смешанными сигналами на основе метода оптимизации энергопотребления привода нагрузки.

(4) Реализация макета и проверка результатов: включая проектирование макета и проверку после моделирования. Среди них проверка результатов включает два аспекта: первый - это проверка точности функции, второй - проверка точности электрических параметров, включая потребляемую мощность, и третий - проверка достижимости системы.

1.4 План исследования и значение данной статьи

В соответствии с статусом исследования и требованиями к дизайну, план исследования, который должен быть принят в этой статье, следующий:

(1) с учетом смешанного сигнала требований к системе с одним чипом, соответственно, метод исследования цифровой и аналоговой схемы с низким энергопотреблением, в котором пороговая схема может использоваться в стандартном цифровом процессе CMOS, подходит для использования на низкой скорости и низкое потребление тока, поэтому будет более глубокий анализ пороговой схемы теоретических исследований и проектирования, в том числе несоответствие практическим пределам для оптимизации энергопотребления, шума, при проектировании схемы управления и оценки, а также порогового значения конкретного схемотехника обсуждаются.

(2) защитная функция микросхемы управления литиево-ионной батареей: включая обнаружение и контроль давления зарядки и разрядки в реальном времени, которые могут реализовать защиту от разрядки, защиту от зарядки, подавление зарядного напряжения при нулевом напряжении; Включает двусторонний ток заряда и разряда в реальном времени, который может реализовать поток вторичной защиты, защиту от короткого замыкания и защиту от аномального зарядного тока; Кроме того, при использовании внешнего термистора можно обеспечить обнаружение температуры и защиту.

(3) Нагрузка схем со смешанными сигналами, управляемых методами проектирования с низким энергопотреблением: точки моделирования энергопотребления, стратегия управления энергопотреблением и реализация трех частей для обсуждения. Применимая к управлению моделью энергопотребления устанавливается и стратегия управления энергопотреблением после анализа и сравнения, тем проще реализовать простой метод управления, и предложена улучшенная схема оптимизации энергопотребления на основе нагрузки.

(4) Разработка компоновки гибридной схемы с низким энергопотреблением и проверка мощности: функциональные и электрические параметры могут быть непосредственно проверены с помощью программного обеспечения для моделирования на уровне схемы (например, HSPICE, VERILOG, POWERMILL и т. Д.) И сравнены с соответствующими литературными показателями; использовать CADENCE, завершить макет системы; проверить достижимость системы путем извлечения параметров из макета и пост-моделирования.

Как видно из вышеизложенного, исследовательская значимость данной статьи имеет как минимум следующие аспекты:

(1) Теория малой мощности и синергетические соображения каждой части аналогово-цифровой гибридной схемы являются теоретической основой для проектирования системы и оптимизации мощности.

(2) Низкое энергопотребление, высокая точность, миниатюризация - это тенденция развития микросхем управления батареями сегодня, и это неизбежное требование для удовлетворения требований приложения. Большое практическое значение имеет изучение низкого энергопотребления микросхем управления батареями.

(3) Технология динамического управления питанием на уровне системы для однокристальных гибридных схем не только расширяет применение теории динамического управления питанием в чисто цифровых системах и встроенных системах реального времени, но также преодолевает существующие недостатки в сочетании с характеристиками приложений. , разрабатывайте новый контент.

(4) Содержание исследования и результаты этого документа содержат значительную ссылку на другие микросхемы управления батареями.

Страница содержит содержимое машинного перевода.