隐形电池为身打扮和物联网

可穿戴设备市场和物联网(IOT)的移动互联网都预计将在未来十年内迅速扩大。放置于电子元器件，这些应用领域的主要技术要求是超低功耗，低成本，无线连接，并且在大多数情况下，超小体积。能量收集已被确定为两个穿戴式设备和无线传感器节点供电的重要技术。电池能量储存，同时，被认为是必要的，为广大的应用程序。然而，今天的常规形式因素，包括硬币电池，被看作是一个严重的限制。薄度，柔韧性和能力是关键的因素。因此，薄膜/固态和印刷电池可提供的最大潜力。这篇文章将提供持续功率可穿戴设备相对于电池技术，电池寿命和可再充电的挑战。然后，将突出最新一代的固态电池，特别是其体积小，设计灵活，和他们的能力的优势，可以通过收集环境能量无线充电。将参考到的EnerChip固态电池与集成的实时时钟和电源管理功能以及它们各自的评估工具包将Cymbet公司的范围。

图1：的EnerChip CBC34813-M5C从Cymbet的结合了固态，可充电电池的实时时钟和集成的电源管理。容量为5μAh2.5 V.设备尺寸的输出电压为5×5毫米。充电时间为2.5 V.15分钟

市场增长

虽然薄膜和固态电池已经出现了十年以上，这是新兴市场的增长，包括可穿戴的设备，并且正在产生显著的新兴趣的物联网。据市场研究公司IDTechEx公司在其最近的报告中，“灵活，印刷和薄膜电池，2015年至2025年”，¹市场将价值$ 3亿2024在设备级别。报告强调，不同的领域，包括可穿戴设备，物联网，RFID，消费电子和医疗设备，都需要电池在不同的外形尺寸，功率密度，寿命，当然，价格点。可穿戴的应用程序将在很大程度上需要高能量的来源，如薄膜和灵活的锂电池，其预计将显示最高的市场潜力，报告总结。据Cymbet的公司的史蒂夫格雷迪，在刚刚出版的白皮书，限制了很多应用就是力量。 “新的电源解决方案将被要求：电源解决方案，小，薄，自我充电，永不​​需要更换。传统的电池根本无法满足要求，“格雷迪says.²增长的可穿戴设备和物联网领域，即超低功耗处理器，传感器和射频/无线网络电路背后的主要驱动技术，都一应俱全，并集成到超小型封装 - 只有1立方毫米，他补充道。

电池寿命

最可穿戴的产品将被设计与具有持续的产品寿命的动力源。有些设备可以仅仅通过能量采集技术来提供动力。心跳动力可植入起搏器和超低功率传感器节点基于搭载RF或电磁波被证明可行的，以允许无电池设计。一些应用需要非常少的功率和/或具有有限的寿命(例如某些医疗设备或RFID标签)，和单个非可再充电电池可足以维持产品的预期寿命。然而，在许多情况下，一个电池是必需的，并且通常不能充电被移除，也可以一个充电用软线进行连接。无线充电正在成为一种理想的选择。电池寿命是已经许多智能移动设备的最重要的方面，并且可以严重地限制了日益耗电特性和功能可掺入的数量，尽管焦点上超低功率电路。可穿戴设备，外形是正容量重要的，因为理想地电池需要是小而薄，并且共同封装的电子电路。 Cymbet的白皮书概述了若干常规化学电池，包括锂离子和硬币的细胞类型的缺点。这些包括火灾或爆炸的危险性，特别是如果暴露在高温和反复过充电。同时，研究富于全世界，集中在增加电池容量，减少电池尺寸，使它们有弹性，并且重要的是，成本低。多种材料组合正在开发和试制，包括陶瓷结合锂，硫，碳/石墨烯锂，皱巴巴的石墨烯纸，基于石墨烯的论文，等等。薄膜，固态和纸柔软电池已可用于一些年，但大多数往往是低容量和昂贵的。固态锂技术可以提供更高的容量，使得它在某些应用中很有用，但它是在大小为代价的。见下面的图2的最近引入的一个例子。

图2：EFL700A39纸一样薄，固态锂薄膜充电意法半导体的电池的容量为0.7毫安时有3〜4.2 V.它的措施25.7 x 25.7毫米，工作电压范围。充电时间是在4.2V的恒定电压(20)分钟。同时，IDTechEx公司观察到越来越多的努力成更宽范围的印刷组件的发展，开始与射频天线的标签，但现在扩展到包括传感器，存储器和逻辑，以及存储装置，例如电池和超级电容器。这导致的方式更高度集成化，小型化的解决方案，更适用于物联网节点和最终耐磨应用。

锂免费

硅基固态设计的一个主要优点是，它们可以廉价地并可靠地制造成熟的半导体工艺。此外，它们可以被封装为独立的设备，或集成在与其它电路芯片形式。这是通过采取Cymbet的与锂 - 自由固态电池芯片其的EnerChip范围的路由。最小的，以裸片形式，与5μAh容量，尺寸仅为1.37 x0.85毫米的CBC005，并为175微米厚。它可以打包与该公司的集成的电源管理电路和/或超低功耗的实时时钟。目前可用的电池容量是5μAh，12μAh和50μAh。其中公司最近推出的是的EnerChip RTC CBC34803-M5C，结合了实时时钟和低功耗应用而优化的日历，带有集成的可充电固态后备电池，所有的电源管理功能。虽然主要目的是提供一个低成本，小尺寸(5×5×1.4毫米)后备电源的解决方案，它示出了该技术的能力。输出电压为2.5 V，充电时间为80%，仅15分钟。提供每次充电和超过5000充电周期是可能长达100小时后备的实时时钟。评估套件，CBC-EVAL-12-34803，是可用的，它配备了USB接口板，CBC-TAB-34803，其直接插入PC。该套件可让设计人员探讨与I²C接口总线，电源管理功能，如电源故障检测低功耗实时时钟的功能，电池充电和放电监控和固态电池本身，可以提供高达100小时的后备电源的实时时钟。

图3：Cymbet的评估套件CBC-34803集成固态电池，实时时钟和电源管理电路插头插入PC的USB端口。通过将Cymbet的EnerChip电池技术的关键优势是有线无线充电，通过能量采集正常实现，近场(NFC)诱导或RF充电。能量收集可以是可佩戴的装置，特别是使用运动，压电或热电技术的有用的技术。健身监测小工具，例如，可搭载的身体运动，而在使用中，但随后利用太阳能，RF或磁感应技术在不使用时再充电。在与皮肤接触的卫生监测装置可以利用在身体和环境空气之间的温度差。收获的能量可用于使传感器和电路直接提供电源，和/或给电池充电。关键设计因素可穿戴设备最​​大限度能量存储装置的能量密度和功耗最小。超低功耗，极小的微处理器现在一应俱全，其中包括用于将Cymbet的Ambiq微，加上非常低功耗的传感器和电源管理器件。一个重要的设计考虑功率效率，以确保设计仅唤醒采取传感器测量在适用于应用程序的时间间隔，并且该电路返回到在时间之间的一个低功率休眠模式。 Cymbet的白皮书提供了比较集成了充电或更换一次电池(提供的应用程序可以容纳散装)，并采用能量采集技术的成本有益和有趣的计算器。魔鬼在细节，这需要制造，运营和总产品生命周期成本，包括以下因素：如老化性能和寿命处置程序结束一些分析。最后，介绍了一些技术来优化能源采集设计为可穿戴技术和无线传感器节点，并提供了一​​些设计实例。

结论

电池尺寸和外形可以说是最显著挑战需要克服的可穿戴技术和物联网运动迅速扩大。固态，可以与传感器和电子电路可以容易地集成可以提供解决方案可充电电池。然而，总是会有一个折衷的电池容量和尺寸方面。超低功耗电路，智能电源管理，能量收集可以为保持控制电力需求作出了重大贡献。锂 - 自由解决方案提供了更加生态方法，而无线充电有助于保持尺寸为最小。