隱形電池為身打扮和物聯(lián)網(wǎng)

可穿戴設(shè)備市場(chǎng)和物聯(lián)網(wǎng)(IOT)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)都預(yù)計(jì)將在未來(lái)十年內(nèi)迅速擴(kuò)大。放置于電子元器件，這些應(yīng)用領(lǐng)域的主要技術(shù)要求是超低功耗，低成本，無(wú)線連接，并且在大多數(shù)情況下，超小體積。能量收集已被確定為兩個(gè)穿戴式設(shè)備和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電的重要技術(shù)。電池能量?jī)?chǔ)存，同時(shí)，被認(rèn)為是必要的，為廣大的應(yīng)用程序。然而，今天的常規(guī)形式因素，包括硬幣電池，被看作是一個(gè)嚴(yán)重的限制。薄度，柔韌性和能力是關(guān)鍵的因素。因此，薄膜/固態(tài)和印刷電池可提供的最大潛力。這篇文章將提供持續(xù)功率可穿戴設(shè)備相對(duì)于電池技術(shù)，電池壽命和可再充電的挑戰(zhàn)。然后，將突出最新一代的固態(tài)電池，特別是其體積小，設(shè)計(jì)靈活，和他們的能力的優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)收集環(huán)境能量無(wú)線充電。將參考到的EnerChip固態(tài)電池與集成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和電源管理功能以及它們各自的評(píng)估工具包將Cymbet公司的范圍。

圖1：的EnerChip CBC34813-M5C從Cymbet的結(jié)合了固態(tài)，可充電電池的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和集成的電源管理。容量為5μAh2.5 V.設(shè)備尺寸的輸出電壓為5×5毫米。充電時(shí)間為2.5 V.15分鐘

市場(chǎng)增長(zhǎng)

雖然薄膜和固態(tài)電池已經(jīng)出現(xiàn)了十年以上，這是新興市場(chǎng)的增長(zhǎng)，包括可穿戴的設(shè)備，并且正在產(chǎn)生顯著的新興趣的物聯(lián)網(wǎng)。據(jù)市場(chǎng)研究公司IDTechEx公司在其最近的報(bào)告中，“靈活，印刷和薄膜電池，2015年至2025年”，¹市場(chǎng)將價(jià)值$ 3億2024在設(shè)備級(jí)別。報(bào)告強(qiáng)調(diào)，不同的領(lǐng)域，包括可穿戴設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)，RFID，消費(fèi)電子和醫(yī)療設(shè)備，都需要電池在不同的外形尺寸，功率密度，壽命，當(dāng)然，價(jià)格點(diǎn)。可穿戴的應(yīng)用程序?qū)⒃诤艽蟪潭壬闲枰吣芰康膩?lái)源，如薄膜和靈活的鋰電池，其預(yù)計(jì)將顯示最高的市場(chǎng)潛力，報(bào)告總結(jié)。據(jù)Cymbet的公司的史蒂夫格雷迪，在剛剛出版的白皮書(shū)，限制了很多應(yīng)用就是力量。 “新的電源解決方案將被要求：電源解決方案，小，薄，自我充電，永不需要更換。傳統(tǒng)的電池根本無(wú)法滿(mǎn)足要求，“格雷迪says.²增長(zhǎng)的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，即超低功耗處理器，傳感器和射頻/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電路背后的主要驅(qū)動(dòng)技術(shù)，都一應(yīng)俱全，并集成到超小型封裝 - 只有1立方毫米，他補(bǔ)充道。

電池壽命

最可穿戴的產(chǎn)品將被設(shè)計(jì)與具有持續(xù)的產(chǎn)品壽命的動(dòng)力源。有些設(shè)備可以?xún)H僅通過(guò)能量采集技術(shù)來(lái)提供動(dòng)力。心跳動(dòng)力可植入起搏器和超低功率傳感器節(jié)點(diǎn)基于搭載RF或電磁波被證明可行的，以允許無(wú)電池設(shè)計(jì)。一些應(yīng)用需要非常少的功率和/或具有有限的壽命(例如某些醫(yī)療設(shè)備或RFID標(biāo)簽)，和單個(gè)非可再充電電池可足以維持產(chǎn)品的預(yù)期壽命。然而，在許多情況下，一個(gè)電池是必需的，并且通常不能充電被移除，也可以一個(gè)充電用軟線進(jìn)行連接。無(wú)線充電正在成為一種理想的選擇。電池壽命是已經(jīng)許多智能移動(dòng)設(shè)備的最重要的方面，并且可以嚴(yán)重地限制了日益耗電特性和功能可摻入的數(shù)量，盡管焦點(diǎn)上超低功率電路。可穿戴設(shè)備，外形是正容量重要的，因?yàn)槔硐氲仉姵匦枰切《?，并且共同封裝的電子電路。 Cymbet的白皮書(shū)概述了若干常規(guī)化學(xué)電池，包括鋰離子和硬幣的細(xì)胞類(lèi)型的缺點(diǎn)。這些包括火災(zāi)或爆炸的危險(xiǎn)性，特別是如果暴露在高溫和反復(fù)過(guò)充電。同時(shí)，研究富于全世界，集中在增加電池容量，減少電池尺寸，使它們有彈性，并且重要的是，成本低。多種材料組合正在開(kāi)發(fā)和試制，包括陶瓷結(jié)合鋰，硫，碳/石墨烯鋰，皺巴巴的石墨烯紙，基于石墨烯的論文，等等。薄膜，固態(tài)和紙柔軟電池已可用于一些年，但大多數(shù)往往是低容量和昂貴的。固態(tài)鋰技術(shù)可以提供更高的容量，使得它在某些應(yīng)用中很有用，但它是在大小為代價(jià)的。見(jiàn)下面的圖2的最近引入的一個(gè)例子。

圖2：EFL700A39紙一樣薄，固態(tài)鋰薄膜充電意法半導(dǎo)體的電池的容量為0.7毫安時(shí)有34.2 V.它的措施25.7 x 25.7毫米，工作電壓范圍。充電時(shí)間是在4.2V的恒定電壓(20)分鐘。同時(shí)，IDTechEx公司觀察到越來(lái)越多的努力成更寬范圍的印刷組件的發(fā)展，開(kāi)始與射頻天線的標(biāo)簽，但現(xiàn)在擴(kuò)展到包括傳感器，存儲(chǔ)器和邏輯，以及存儲(chǔ)裝置，例如電池和超級(jí)電容器。這導(dǎo)致的方式更高度集成化，小型化的解決方案，更適用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和最終耐磨應(yīng)用。

鋰免費(fèi)

硅基固態(tài)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，它們可以廉價(jià)地并可靠地制造成熟的半導(dǎo)體工藝。此外，它們可以被封裝為獨(dú)立的設(shè)備，或集成在與其它電路芯片形式。這是通過(guò)采取Cymbet的與鋰 - 自由固態(tài)電池芯片其的EnerChip范圍的路由。最小的，以裸片形式，與5μAh容量，尺寸僅為1.37 x0.85毫米的CBC005，并為175微米厚。它可以打包與該公司的集成的電源管理電路和/或超低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。目前可用的電池容量是5μAh，12μAh和50μAh。其中公司最近推出的是的EnerChip RTC CBC34803-M5C，結(jié)合了實(shí)時(shí)時(shí)鐘和低功耗應(yīng)用而優(yōu)化的日歷，帶有集成的可充電固態(tài)后備電池，所有的電源管理功能。雖然主要目的是提供一個(gè)低成本，小尺寸(5×5×1.4毫米)后備電源的解決方案，它示出了該技術(shù)的能力。輸出電壓為2.5 V，充電時(shí)間為80%，僅15分鐘。提供每次充電和超過(guò)5000充電周期是可能長(zhǎng)達(dá)100小時(shí)后備的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。評(píng)估套件，CBC-EVAL-12-34803，是可用的，它配備了USB接口板，CBC-TAB-34803，其直接插入PC。該套件可讓設(shè)計(jì)人員探討與I²C接口總線，電源管理功能，如電源故障檢測(cè)低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘的功能，電池充電和放電監(jiān)控和固態(tài)電池本身，可以提供高達(dá)100小時(shí)的后備電源的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

圖3：Cymbet的評(píng)估套件CBC-34803集成固態(tài)電池，實(shí)時(shí)時(shí)鐘和電源管理電路插頭插入PC的USB端口。通過(guò)將Cymbet的EnerChip電池技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是有線無(wú)線充電，通過(guò)能量采集正常實(shí)現(xiàn)，近場(chǎng)(NFC)誘導(dǎo)或RF充電。能量收集可以是可佩戴的裝置，特別是使用運(yùn)動(dòng)，壓電或熱電技術(shù)的有用的技術(shù)。健身監(jiān)測(cè)小工具，例如，可搭載的身體運(yùn)動(dòng)，而在使用中，但隨后利用太陽(yáng)能，RF或磁感應(yīng)技術(shù)在不使用時(shí)再充電。在與皮膚接觸的衛(wèi)生監(jiān)測(cè)裝置可以利用在身體和環(huán)境空氣之間的溫度差。收獲的能量可用于使傳感器和電路直接提供電源，和/或給電池充電。關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素可穿戴設(shè)備最大限度能量存儲(chǔ)裝置的能量密度和功耗最小。超低功耗，極小的微處理器現(xiàn)在一應(yīng)俱全，其中包括用于將Cymbet的Ambiq微，加上非常低功耗的傳感器和電源管理器件。一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮功率效率，以確保設(shè)計(jì)僅喚醒采取傳感器測(cè)量在適用于應(yīng)用程序的時(shí)間間隔，并且該電路返回到在時(shí)間之間的一個(gè)低功率休眠模式。 Cymbet的白皮書(shū)提供了比較集成了充電或更換一次電池(提供的應(yīng)用程序可以容納散裝)，并采用能量采集技術(shù)的成本有益和有趣的計(jì)算器。魔鬼在細(xì)節(jié)，這需要制造，運(yùn)營(yíng)和總產(chǎn)品生命周期成本，包括以下因素：如老化性能和壽命處置程序結(jié)束一些分析。最后，介紹了一些技術(shù)來(lái)優(yōu)化能源采集設(shè)計(jì)為可穿戴技術(shù)和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，并提供了一些設(shè)計(jì)實(shí)例。

結(jié)論

電池尺寸和外形可以說(shuō)是最顯著挑戰(zhàn)需要克服的可穿戴技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)動(dòng)迅速擴(kuò)大。固態(tài)，可以與傳感器和電子電路可以容易地集成可以提供解決方案可充電電池。然而，總是會(huì)有一個(gè)折衷的電池容量和尺寸方面。超低功耗電路，智能電源管理，能量收集可以為保持控制電力需求作出了重大貢獻(xiàn)。鋰 - 自由解決方案提供了更加生態(tài)方法，而無(wú)線充電有助于保持尺寸為最小。