对可穿戴设备和物联网的隐形电池

　　可穿戴设备市场和物联网(IOT)运动都预计在未来十年迅速扩张。这些应用领域对电子元件的主要技术要求是超低功率、低成本、无线连接，并且在大多数情况下，超小尺寸。

　　能量收集已经被识别为一种重要的技术，用于为可穿戴设备和无线传感器节点供电。同时，电池用于储能被认为是大多数应用中必不可少的。然而，今天的传统形状因素，包括硬币电池，被视为一个严重的限制。细度、柔韧性和能力是关键因素。因此，薄膜/固态和印刷电池提供了最大的潜力。

　　这篇文章将提供关于电池技术的可穿戴设备持续供电的挑战，电池寿命和可充。然后，它将突出最新一代固态电池的优点，特别是它们的小尺寸、设计灵活性，以及它们通过收集的环境能量无线充电的能力。

　　将参考的EnerChip固态电池Cymbet公司范围内集成的实时时钟和电源管理功能和各自的评估套件。

　　cbc34813-m5c图像从Cymbet EnerChip

　　图1：从Cymbet的EnerChip固态cbc34813-m5c结合，具有实时时钟的可充电电池和集成的电源管理。容量为5μAh，输出电压为2.5 V。器件尺寸为5×5 mm。充电时间在2.5 V时为15分钟。

　　市场的增长

　　虽然薄膜和固态电池已经存在了10年或更长时间，但新兴市场的增长，包括可穿戴设备和物联网正在产生重大新的兴趣。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到2025”，¹市场将价值2024美元的设备3亿级。

　　报告强调，不同的部分，包括可穿戴设备，物联网，RFID，消费电子和医疗设备，将需要电池在不同的形式因素，功率密度，寿命，当然，价格点。报告指出，可穿戴式应用在很大程度上需要高能量的能源，例如薄膜和柔性锂电池，它们有望显示出最高的市场潜力。

　　根据Cymbet公司Steve Grady，在刚刚出版的白皮书，对许多应用的局限性是权力。“需要新的电源解决方案：小、薄、自充电的电源解决方案，不需要更换。传统的电池根本无法满足要求，”格雷迪说。²

　　的主要驱动技术在可穿戴设备和物联网领域的增长的背后，即超低功耗处理器、传感器和射频/无线网络电路，都是现成的，并集成到非常小的封装–仅1毫米³，他补充说。

　　电池寿命

　　大多数可穿戴产品将设计成一个必须持续寿命的电源。一些设备可以通过能量收集技术单独供电。心跳驱动植入式心脏起搏器和基于射频或电磁波供电的超低功率传感器节点被证明是可行的，允许无电池的设计。

　　一些应用需要非常小的功率和/或具有有限的寿命(例如一些医疗设备或RFID标签)，并且单个不可充电电池可能足以延续产品的预期寿命。

　　然而，在许多情况下，需要电池，并且通常不能为充电而移除，也不能连接充电线。无线充电正成为一种理想的选择。电池寿命已经是许多智能移动设备的最重要的方面，并且可以严格限制越来越耗电的功能和功能的数量，可以并入，尽管专注于超低功率电路。对于可穿戴设备来说，外形因素和容量一样重要，因为理想的是电池需要小而薄，并与电子电路一起封装。

　　Cymbet的白皮书概述了大量传统化学电池的缺点，包括锂离子和硬币的细胞类型。这些包括火灾或爆炸的危险，尤其是当暴露于高温和反复充电。

　　与此同时，世界范围内的研究也在不断地进行着，重点是增加电池容量，减少电池的体积，使其灵活，并且重要的是，成本低。各种材料组合正在开发和试验中，包括陶瓷与锂、锂硫、碳/石墨烯锂、皱石墨烯纸、石墨烯基纸等。

　　薄膜、固态和纸张柔性电池已经使用了几年，但大多数都是低容量和昂贵的。固态锂技术可以提供更高的容量，使其对某些应用更有用，但它是以牺牲尺寸为代价的。请参见下面的图2，作为最近介绍的一个例子。

　　对efl700a39可充电锂电池图像从意法半导体

　　图2：这efl700a39纸薄，固态薄膜锂电池从意法半导体的容量有0.7毫安和3至4.2 V工作电压范围25.7 x 25.7毫米。充电时间为20分钟，恒压为4.2伏。

　　同时，IDTechEx公司观察到增加的精力投入到更大范围的印刷组件的开发，从标签射频天线，但现在已扩大到包括传感器、存储器和逻辑，以及存储设备，如电池和超级电容器。这导致了更高集成度、小型化的解决方案，更适合于物联网节点和最终可穿戴应用。

　　无锂

　　硅基固态设计的一个主要优点是它们可以廉价和可靠地制造在已证实的半导体工艺上。此外，它们可以被封装为独立设备，或者与其他电路集成在芯片形式中。这是由其EnerChip固态电池的芯片范围锂自由Cymbet采取的路线。最小的，死的形式，与5µ啊能力cbc005，尺寸仅为1.37×0.85毫米，和175µ米厚。它可以与公司的集成电源管理电路和/或超低功耗实时时钟打包。电池容量目前是5μ啊，12µ啊50µ啊。

　　一个公司的最新推出的EnerChip RTC cbc34803-m5c，结合实时时钟和日历的低功耗优化的应用程序，与一个集成的可充电固态后备电池和电源管理功能。虽然主要被设计成提供低成本、小尺寸(5×5×1.4 mm)的备用电源解决方案，但它说明了该技术的能力。输出电压为2.5伏，充电时间为80%分钟，仅需15分钟。高达100小时备份实时时钟是可用的每充电，超过5000个充电周期是可能的。

　　评估套件cbc-eval-12-34803，可用，具有USB接口板，cbc-tab-34803，它插到PC套件允许设计师们探索与我²C总线接口的低功耗实时时钟功能，电源管理功能，如电源故障检测、电池充放电监测，和固态电池本身可提供长达100小时的后备电源，实时时钟。

　　为cbc-34803 Cymbet评价试剂盒的图像

　　图3：将Cymbet评估套件的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

　　Cymbet的EnerChip电池技术的关键优势是线免费充电，通常通过能量收集，近场(NFC)或射频感应充电。能量收集可以是可穿戴设备的一种有用的技术，特别是使用运动、压电或热电技术。例如，健身监测小工具可以在使用过程中由身体运动提供动力，但是当不使用时，使用太阳能、RF或磁感应技术再充电。与皮肤接触的健康监测装置可以利用身体和环境空气之间的温度差异。所收集的能量可用于直接对传感器和电路供电，和/或给电池充电。

　　可穿戴设备的关键设计因素是最大化能量存储装置的能量密度并最小化功耗。超低功耗微处理器，小小现在一应俱全，包括ambiq微用的Cymbet，加上极低的功率传感器和功率管理器件。电源效率的一个重要的设计考虑是保证设计只是醒来每隔适当的应用，传感器测量，电路恢复到低功耗睡眠模式之间的时间。

　　Cymbet的白皮书提供了一个有用的和有趣的比较将充电或更换电池的成本计算器(提供应用程序可以容纳体积)和采用能量采集技术。魔鬼在细节中，这需要对制造、运营和总产品寿命成本进行一些分析，包括老化特性和寿命终止处理等因素。

　　最后，概述了可穿戴技术和无线传感器节点优化能量采集设计的一些技术，并给出了一些设计实例。

　　结论

　　电池尺寸和形状因素可以说是最重要的挑战，克服可穿戴技术和物联网运动迅速扩大。可以与传感器和电子电路容易集成的固态可充电电池可以提供解决方案。然而，在电池容量和尺寸方面总是存在权衡。超低功率电路、智能功率管理和能量收集可以为控制电力需求做出重大贡献。无锂解决方案提供了更生态的方法，而无线充电有助于保持最小的尺寸。