リチウムイオン電池管理チップの導入

1.1リチウムイオン電池管理アプリケーションとチップの開発

1.1.1リチウムイオン電池の特性と用途

早くも1912年に、電極としてリチウム金属を使用したリチウム電池（Li電池）の研究が始まりました。 1970年代に、非充電式リチウム電池が最初に商業分野で使用されました。 1980年代、研究は充電式リチウムイオン電池（Li-ion Battery）に焦点を合わせましたが、電池の安全性の問題をうまく解決することはできませんでした。ソニー株式会社は、1991年までリチウムイオン電池の商品化を初めて実現し、エネルギー技術の重要なマイルストーンとされてきました。

Ni-Cdや他の二次電池と比較して、エネルギーと体積（品質を含む）よりもエネルギー密度が高く、充電と放電のサイクルが高く、放電率が低く、単一電池の電圧（3.6V）が高いリチウムイオン電池。リチウムイオン電池の高い動作電圧は、モバイル機器のサイズを縮小するのに役立ちます。高いエネルギー密度は、軽量の電池に適しています。低い放電率は、通常の保管期間の使用も保証します。

この10年間で、驚異的な発展を遂げたリチウムイオン電池のアプリケーションは、現在、ノートブックコンピュータ、GSM / CDMA、デジタルカメラ、ビデオカメラ、およびハイエンドのPDA [2]で広く使用されている主要なエネルギー電子通信製品の1つになっています。ポータブル家電製品。 1997年前にノートパソコン市場に適応し、電池コストを削減し、容量を増やすことをリチウムイオン電池の最初の黄金期と呼ぶと、携帯電話、カメラ、その他の携帯用電子製品の人気でリチウムイオン電池業界になります第二の黄金期に。たとえば、2004年には、携帯電話のバッテリーの94％がリチウムイオンバッテリーです。技術の進歩に伴い、リチウムイオン電池の需要はますます強くなり、2005年、2005年に予想されます[3]。リチウムイオン電池の生産と販売の観点から、2000年以前は日本が最大の生産であり、リチウムイオン電池を販売しており、市場シェアは95％以上。しかし、近年、中国と韓国の急速な台頭に伴い、国のパターンは徐々に崩れ、2005年には日本のリチウムイオン電池の世界市場シェアは50％を下回ると予想されています。

1.1.2リチウムイオン電池管理チップの重要性

リチウムイオン電池の研究開発では、使用安全性の向上が常に研究のポイントです。エネルギーや有機電解質の火口などのほとんどは品質が高いため、冷却速度よりも速い速度でバッテリーの熱が発生すると、セキュリティ上の問題が発生する可能性があります。研究によると、乱用されたリチウムイオン電池は700°Cを超える高温に達する可能性があり、これにより電池が煙、火、爆発につながる可能性があります。 1 v未満に放電すると、銅のアノード表面が沈殿し、バッテリーの内部短絡が発生します。フロー状態では、バッテリーの内部温度が上昇し、バッテリーの性能が低下し、損傷します。過充電および放電条件下では、リチウムイオン電池の内部の化学反応と性能が変化し、MのタイプはCo、Al、Niおよびその他の金属イオンを表します。

リチウムイオン電池の安全性を向上させるためには、綿密な調査のメカニズムに加えて、適切な電極材料を選択し、全体構造を最適化する必要があります。また、効果的な管理のために電池の周辺集積回路（IC）の電池を使用する必要があります。近年、バッテリー管理（バッテリー管理）チップは、販売であろうと販売管理（電力管理）であろうと、チップ内で最も速く消費電力が増加すると予想されるという報告があります。リチウムイオン電池の管理目標には、電池電圧、充電および放電電流、温度監視、データ計算および保存が含まれます。保護回路、燃料電池検出回路、データ伝送システムを実装する機能を含む管理チップは、スマートバッテリーシステム（スマートバッテリーシステム、SBS）と呼ばれます。SBSバッテリー構造は、双方向電流ブロック電流検出器を検出するための温度センサーで構成されています。 、ADC、EEPROMメモリ、クロック、単一状態/制御回路、およびメインシステムのインターフェイスとアドレス、リチウムイオンバッテリ保護回路など。対応するメモリ内のデジタルストレージのADC変換により、メインに接続された単一のインターフェイスを介してシステム、内部メモリの読み取り/書き込みアクセスおよび制御。SBSは、バッテリーを効果的に保護するだけでなく、バッテリーの残量出力も信号（LCDディスプレイ）に使用でき、これがリチウムイオンバッテリー管理チップ開発の主な目標になります。現在、SBS協定の適用はSBdata1.1（データプロトコル）とSMbus2.0（バスプロトコル）に達しており、IBMやSONYラップトップなど、SBSのバッテリー保護回路をベースに採用されているモデルがいくつかあります。

リチウムイオン電池管理チップでは、電池電圧、充電電流、放電電流の監視による保護回路を実現し、内蔵リチウムイオン電池を分離し、SBSの二次保護回路としても機能します。価値があるのは、バッテリーのNi-Cd、Ni-Hの同等の保護を実現できることです。そのため、バッテリー管理チップでは大きなシェアを占めています。

1.1.3バッテリー管理チップ開発の現状

現在、外国のユニトロード、テキサス、ダラスなどの企業がリチウムイオン電池管理チップの研究開発を行っています。また、世界市場シェアの低下に伴い、日本のリチウムイオン電池管理チップ、特に保護回路の設計・開発は、常に世界を席巻してきました。セイコーS82シリーズ、リコーR54シリーズ、ミツミMM3061シリーズなどで最も有名な製品です。その中でも、S82シリーズ製品は、完全な機能、高精度、低消費電力により、リチウムイオン電池管理チップの設計の1つと見なされています。盟主。中国では、台湾の個々のユニットの機能に加えて、比較的単純な保護チップを開発しましたが、近年、個々の本土がリチウムイオン電池保護回路ユニットの研究を開始しましたが、まだ初期段階であり、精度が低く、統一されていません保護の基準。さらに重要なのは、現在、国内は独立した所有権を持って巡回していないということです。

現在、最も長い電池の中で、時間と軽量のバランスをとるために、携帯電話などの携帯機器の増加により、カメラはリチウムイオン電池の単一セクションを主電源として使用しています。リチウムイオン電池管理チップの現在の研究単一セクション、重点は次のとおりです。

（1）効果的な管理のためのバッテリー充電プロセスに加えて、充電および使用保護のプロセス全体でより緊急に実装する必要があります。これには、完全な保護機能を備えたチップだけでなく、バッテリー電圧、検出の遅延時間精度、および実用的な要件を満たすための制御精度などの保護が必要です。

（2）パワーバッテリーの寿命を延ばすために、可能な限り消費電力を削減する必要があります。バッテリー後のパッケージの一部として、チップドライバーは常にバッテリーの管理からのものであるため、チップの消費電流は十分に低い必要があります。

アド/ミックスドシグナル回路として、既存の消費電力最適化手法から教訓を引き出すことができますが、消費電力削減のアプリケーションの特性と組み合わせて、より詳細な理論的調査を行うことができます。

したがって、バッテリ管理チップの単一セクションリチウム保護回路、システム機能の実現からアナログミックスドシグナル回路設計までの低消費電力、バッテリ管理チップ設計の低消費電力、さらにはSBSの開発に代表されるものはかなりの参考になるでしょう。

1.2 d / aミックスドシグナル回路の低電力設計

1.2.1集積回路の低電力設計

1980年代までの集積回路の開発の初期段階では、電力損失の問題はそれほど顕著ではありません。この間、一般的に小規模でCMOS回路システムの台頭により、低消費電力はIC設計の重要な要素ではありませんでした。

Intel G.Mooreの創設者の1人である1968年には、18〜24か月ごとにICの統合が倍増すると予測されており、これは有名なムーアの法則です。実際、この40年間、IC技術は基本的にムーアの法則に従っており、大きな発展を遂げています。集積回路は、小規模集積回路（SSI）から超大規模集積回路（VLSI）、そして現在の超大規模集積回路（ULSI）への発展を経験してきました。つまり、チップには1億を超える要素を含めることができます。量子効果と経済的限界により、IC統合の成長速度は遅くなりますが、予想通り、持続可能な開発の傾向のIC統合の新技術の採用によって変化することはありません。同時に、システムの複雑さも絶えず向上しており、デバイスや回路のさまざまな機能がチップに統合されており、チップ（SOC）がシステム統合を構成しています。明らかに、集積回路の複雑さと統合の改善により、低消費電力の回路設計が不可欠な指標になりつつあります。

まず第一に、高消費電力はチップを過熱しやすくし、回路の信頼性を高め、最終的には故障につながります。研究によると、温度が10 cごとに2回上昇すると、デバイスの故障率が向上します。また、消費電力の増加により、チップのカプセル化と冷却の要求が高まり、コストが増加するだけでなく、アプリケーションの小型化においても、このソリューションが採用されないことがよくあります。

さらに重要なのは、消費者向け電子機器と、電力消費の問題に関する研究の発展を促進するための多数のアプリケーションです。

電子時計などの業界で初めて低消費電力の概念であり、家電の小型化、高集積化において、回路コストを削減し、安定性、信頼性を向上させ、低電力回路を設計する必要性を高めています。統合を改善する場合は、単位面積あたりの消費電力を同じか、さらに低く維持するようにしてください。同時に、過去30年間でバッテリー容量が2〜4倍に増加したため、VLSI技術が急速に発展したわけではなく、バッテリー電源システムである集積回路の低電力設計が最も効果的な延長方法です。バッテリーの寿命。さらに、ポータブルデバイスは、サイズと重量を減らすためにバッテリーの使用量が少なくなる傾向があり、低消費電力を実装するための必然的な要件回路でもあります。 10年前と比較して、エレクトロニクス業界の家電製品は40％から40％に急成長しているため、家電は低電力設計の主な推進力です。

1.2.2、d /低消費電力研究のミックスドシグナル回路

この技術的要件とポータブル電子製品のアプリケーションでは、低電圧低電力CMOS集積回路設計によって推進される強い需要が大きな注目を集めています。現在、集積回路研究の消費電力は、主に次の2つの側面に集中しています。

まず、低電力技術の研究です。これは主に、供給電圧としきい値電圧の低下を低減するために、縮小されたフィーチャサイズに集中しています。特性のサイズを小さくするには、同じチップ上に複雑なシステム統合を行い、消費電力を効果的に管理します。ただし、機能のサイズがある程度小さくなると、ホットキャリア効果、ソフトダイナミックノード障害がデバイスのパフォーマンスに大きく影響し、電源電圧が低下するため、これらの問題を解決するためのより良いソリューションになります。駆動電流を維持するための低論理回路は減少せず、動作周波数は減少し、供給電圧を減少させ、しきい値電圧を減少させますが、しきい値電圧を低くすると、リーク電流が指数関数的に増加する可能性があります。しきい値電圧デバイスを使用するか、可変しきい値電圧技術を使用すると、製造プロセスに依存するリーク電流によって引き起こされる電力損失が減少することが期待されます。

2つ目は、研究の低電力設計手法です。これは低消費電力であり、調査地域で最も活発です。特定の状況での技術、それは低電力設計法と評価法を含みますが、それらは主にデジタル回路用です。

同じ性能を保証することを前提として、チップ設計の開始時に、すべてのレベルから消費電力の最適化を分析することで、設計サイクルを短縮できるだけでなく、全体的な消費電力の最小化を実現できます。設計の観点から、低電力設計方法は、システムレベル（システムレベル）、アルゴリズム/構造（アーキテクチャ/アルゴリズムレベル）、レジスタ転送レベル（RTLレジスタ転送レベル）、論理/レベルドア（LogIC /ゲートレベル）、ランドスケープ（レイアウトレベル）これらのレベル。その中で、システムと高レベルの低電力技術のアルゴリズムは、システムの消費電力に影響を与えます。このレベルの消費電力では、システム分析と最適化の消費電力を予測できます。これは、消費電力が数桁低くなる可能性があるため、注意が必要です。

効果的な評価ツールと消費電力方法は、低消費電力の研究のもう1つの重要な部分です。回路の消費電力を迅速かつ正確に見積もるためにさまざまなレベルを設計する方法も、集積回路の設計においてホットで困難な問題です。一般に、評価の消費電力は、ランダム統計とシミュレーションに基づく方法に2つのクラスに分けられます。

消費電力を推定するためのランダムな統計的方法に基づいており、その基本的な考え方は、最初に、マップまたは論理記述モジュールの抽出回路または論理モデルに従って、次にランダム入力フローシミュレーションを使用して、平均消費電力を計算することです。

高速で内部情報を回路化する必要がないという利点がありますが、シミュレーションに基づく方法よりも消費電力の推定精度が高いため、通常は設計の初期段階で適用します。

消費電力を推定するためのシミュレーション方法に基づいて、平均消費電力、最大消費電力、および最小消費電力値を取得するために、一連の典型的な入力ベクトル電力シミュレーションを使用することです。高精度のシミュレーション方法に基づいていますが、より大きなストレージスペースを考慮しているため、モンテカルロ（モンテカルロ）などの一部のヒューリスティック情報のシミュレーションを使用して収束を高速化できます。

シミュレーション手法や遺伝的アルゴリズムなど、モンテカルロ法は回路の入力でランダムに入力信号を生成し、アナログ手法を用いて一定の時間間隔で消費電力を計算します。既存の回路レベル、ゲートレベル、およびその他のシミュレーション方法をモンテカルロプログラムの内部ループに適用すると、速度と計算精度の間の妥協点が得られます。アナログ手法に基づく典型的な検出力分析ソフトウェアは、POWERMILL、Entice-Aspenなどです。

主にアナログ回路とデジタル回路に関する現在の低電力研究が別々に議論されていることを指摘する必要があります。アナログ回路とそれ自体の特性に密接に関連するアナログ集積回路とデジタル回路の0または1信号処理は異なり、主に信号の振幅、時間、周波数の連続的な変化を処理し、次の機能を備えています。

（1）回路の形での多様性：データコンバーター（A / Dコンバーター、D / Aコンバーターなど）、オペアンプとリニアアンプ（低ノイズアンプとブロードバンドアンプなど）、非線形アンプ（アナログ乗算器、対数/アンチログアンプなど）、マルチチャンネルアナログスイッチ、電源電圧レギュレータ（リニア電圧レギュレータ、スイッチング電源コントローラなど）、スマートパワーIC、およびあらゆる種類の特殊IC。

（2）パフォーマンス指標の多様性：精度、入力範囲、歪み、ノイズおよび電源除去比（PSRR）、電圧ゲイン、周波数帯域幅、入力/出力インピーダンスなどが含まれます。

（3）回路構造の多様性：オペアンプの場合のみ、カスコード、フォールディング、フォールドカスコード、A /クラスABアンプ、シングルエンド/差動アンプ、その他多くの構造があります。

（4）さまざまなデバイス。一般的なデバイスは、トランジスタ、ダイオード、抵抗、コンデンサ、さらにはインダクタです。

アナログ信号処理回路の連続性、ダイバーシティの形での回路構造、性能指標の精度により、回路の設計とレイアウトを特定の回路の周りに構築する必要があり、自動度の設計はデジタルよりもはるかに低くなります回路、そして難易度は後者よりもはるかに高いです。

デジタル時代、デジタル回路設計法では、プロセス条件がアナログ回路をリードしており、デジタルICの市場シェアもアナログICよりも高いですが、結局のところ、アナログ回路はデジタル回路と現実世界の架け橋です。それはまだ開発のための十分なスペースを持っています。さらに、実際のシステムは非常に複雑であるため、常にストレージ回路、ロジック制御回路、およびアナログ回路を同じチップに統合して、ミックスドシグナル回路と呼びます。 CMOS技術は成熟しており、デジタル回路に広く適用されており、システムのアナログ回路技術は標準のCMOSプロセスと互換性がある必要があります。したがって、消費電力を含むアナログ回路では、性能がシステムの性能を直接決定します。

ミックスドシグナル回路では、デジタル回路技術の低消費電力で成功する多くのアプリケーションは、アナログ回路でのアプリケーションには適していません。たとえば、電源電圧の消費電力を削減する効果的な方法は削減されますが、アナログ回路の場合、文献[16]が指摘しているように、特定の動的範囲、ゲイン、およびゲイン帯域幅の積に対して、電源電圧が高くなることは、回路性能の一部を犠牲にして、低電圧、低消費電力であることも示しています。アナログ回路の性能は議論する特定の回路から外れることができないので、より多くの文献が低電圧低電力回路設計を報告しました。

バッテリーのミックスドシグナル回路が増えるにつれ、従来の設計方法には大きな課題がありました。アナログおよびデジタル回路から分離されるのではなく、統合管理、消費電力のためのミックスドシグナル回路の低電力要件。設計の観点から、デジタル回路とアナログ回路の消費電力をどのように調整するかは、純粋なデジタル回路や純粋なアナログ回路よりも困難です。したがって、低消費電力のミックスドシグナルは、人々の注目を集めました。レーザードライバーの設計に関する文献[17]は、デジタル信号を使用して電流スイッチを制御し、消費電力を削減しましたが、プラスデジタル信号です。文献[18]、[19]は、アナログ回路を制御するためにデジタル信号を使用することを提案していますが、その目的は、消費電力ではなく回路ノイズを低減することです。 2001年に、Tsinghua Universityの信号デジタル回路は、システムの消費電力を節約するために、アナログ回路のアクティビティを制御するために提案されました[20]が、回路からの実現可能性を正当化するためにのみです。方法、ミックスドシグナルシステムの消費電力を効果的に節約する方法、そしてそれ以上の理論的研究はありません。当然のことながら、低消費電力のミックスドシグナル回路は、低電力のアナログおよびデジタル設計のホットフィールドを伴いますが、解決できない多くの問題も抱えており、さらに深めて完璧にする価値があります。

1.3研究の内容と構造

リチウム電池管理チップの保護機能と低電力設計要件を実現するために、この記事の主な研究内容は次のとおりです。ミックスドシグナル回路設計の各部分の低消費電力と協調的思考方法。リチウムイオン電池管理チップ設計と低消費電力の保護機能。回路設計とシミュレーション、レイアウトとシミュレーション、消費電力を含む、後で。

コンテンツの要件に従って、このペーパーの調査では、次の側面に焦点を当てました。

低消費電力分析のアナログハイブリッド回路法：（1）研究は広範な文献の低消費電力ですが、ほとんどは考慮すべき別個のデジタル回路とアナログ回路です。実用的なミックスドシグナルシステムとして、低電力設計はシステムアプリケーションの機会から切り離すことはできず、ある程度の困難を伴う再利用性もまたかなりの課題を抱えているはずです。

（2）リチウムイオン電池管理チップ設計の保護機能：電池システムのリアルタイムで効果的な保護を実装するように設計されたリチウムイオン電池アプリケーションの特性に応じて。

（3）リチウムイオン電池管理チップの実装：アプリケーションの観点からの低消費電力、ロードドライブ消費電力最適化手法に基づくミックスドシグナルシングルチップシステムの研究。

（4）レイアウトの実装と結果の検証：レイアウト設計とシミュレーション後の検証を含みます。その中で、結果の検証には2つの側面があります。1つは機能の精度の検証、2つ目は消費電力を含む電気的パラメータの精度の検証、3つ目はシステムの達成可能性の検証です。

1.4この論文の研究計画と意義

研究状況と設計要件によると、この論文で採用される研究計画は次のとおりです。

（1）シングルチップシステム要件のミックスドシグナルをそれぞれ考慮すると、標準のデジタルCMOSプロセスでしきい値回路を使用できる低消費電力デジタルおよびアナログ回路の研究方法は、低速での使用に適しています。消費電流が少ないため、理論的な研究と設計のしきい値回路分析が深くなります。これには、消費電力の最適化の実際的な制限との不一致、ノイズ、設計回路の制御と判断の場合、および特定のしきい値が含まれます。回路構造について説明します。

（2）リチウムイオン電池管理チップ設計の保護機能：リアルタイムの充電および放電圧力の検出と制御を含み、過放電保護、過充電保護、ゼロボルト充電電圧抑制を実現できます。二次保護、短絡保護、異常充電電流保護の流れを実現できるリアルタイムの双方向充電および放電電流が含まれています。さらに、外部サーミスタを使用すると、温度の検出と保護を実現できます。

（3）混合信号回路駆動の低電力設計手法の負荷：消費電力をモデル化するポイント、消費電力管理戦略、および議論する3つの部分を実装します。チップ消費電力モデルの管理に適用可能であり、分析と比較後の消費電力管理戦略を確立し、簡単な制御方法を実装しやすくし、負荷に基づく改善された消費電力最適化スキームを提案します。

（4）低電力ハイブリッド回路レイアウトの設計と性能電力の検証：機能的および電気的パラメーターは、回路レベルのシミュレーションソフトウェア（HSPICE、VERILOG、POWERMILLなど）によって直接検証でき、関連する文献の指標と比較できます。 CADENCEを使用して、システムレイアウトを完成させます。レイアウトとシミュレーション後からパラメータを抽出して、システムの達成可能性を確認します。

以上のことから、本論文の研究意義には少なくとも以下の側面があることがわかる。

（1）デジタル-アナログハイブリッド回路の各部分の低電力理論と相乗的考察は、システム設計と電力最適化の理論的基礎です。

（2）低消費電力、高精度、小型化は、今日のバッテリ管理チップの開発動向であり、アプリケーションを満たすことは避けられない要件です。バッテリ管理チップの低消費電力を研究することは、非常に実用的な価値があります。

（3）シングルチップハイブリッド回路のシステムレベルの動的電力管理技術は、純粋なデジタルシステムおよびリアルタイム組み込みシステムにおける動的電力管理理論の適用を拡大するだけでなく、アプリケーションの特性と組み合わせて既存の欠点を克服します。 、新しいコンテンツを開発します。

（4）この論文の研究内容と結果は、他のバッテリー管理チップについてかなりの参考資料があります。

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