Akumulatory dla elektroniki przenośnej staną się niewidocznie małe

Jednym z pomysłów jest wykorzystanie do ich zasilania energii wolnodostępnej (energy harvesting). Osiąga się to za pomocą przechwytywania ruchu lub drgań mechanicznych, przez wykorzystanie naturalnych naprężeń i sił za pomocą elementów piezoelektrycznych lub użycie generatora termoelektrycznego.

Fot. 1. EnerChip CBC34813-M5C firmy Cymbet to subminiaturowy akumulator razem z zegarem RTC, układem zasilania i ładowania

Generatory tego typu korzystają także ze sprzężenia indukcyjnego ze źródłem energii w sposób podobny do technologii NFC lub też czerpią energię z pola w.cz. od licznych nadajników RTV/BTS. Niemniej w większości przypadków źródło to nie daje gwarancji dostępności przez cały czas, dlatego za każdym razem urządzenie tego typu musi mieć wbudowany akumulator.

Jego pojemność nie musi być duża, zwłaszcza jeśli wydajność systemu zasilania energią wolnodostępną jest wystarczająca, ale bez niego jakości działania nie da się zapewnić. W praktyce zgromadzona w nim energia jest konieczna do prawidłowego uśpienia działania i wybudzenia mikrokontrolera, gdy zasilanie powróci.

W przypadku aplikacji elektroniki noszonej głównym źródłem energii może być stos termoelektryczny wykorzystujący różnicę temperatur pomiędzy ciałem ludzkim a otoczeniem. Wbudowane w obudowę urządzenia ogniwa Peltera mogą być efektywnym i wygodnym źródłem zasilania, ale niestety nawet najmniejsze tradycyjne akumulatory dostępne w obudowach guzikowych są w większości przypadków większe niż cała aplikacja i stają się głównym problemem konstrukcyjnym dla takich aplikacji.

Do takich zadań kierowane są nowe opracowania baterii cienkowarstwowych oraz miniaturowe wersje dostępne w obudowach takich samych jak układy scalone i wykonywane za pomocą podobnych technologii (solid state). Źródła te wydają się mieć największy potencjał i możliwości integracji dla wchodzącej na rynek elektroniki przenośnej nowej generacji. W niniejszym artykule pokazane zostaną przykładowe źródła tego typu i omówione zostaną ich możliwości.

Za produkt odniesienia może służyć bateria monolityczna EnerChip CBC34813-M5C firmy Cymbet Corporation, która została zintegrowana w jednej obudowie z zegarem RTC i układem zarządzania zasilaniem. Pojemność akumulatora wynosi 5 µAh a napięcie wyjściowe 2,5 V. Pojemność ta wystarcza na podtrzymanie pracy zegara RTC do 5 dni.

Ładowanie trwa 15 minut i jest realizowane automatycznie, gdy napięcie zasilania w docelowym systemie jest większe niż 2,5 V. Układ pracuje w zakresie temperatur -10~70°C, został umieszczony w obudowie 5×5×1,4 mm 16-pin QFN, która przeznaczona jest do montażu w technologii SMT. Układ można wykorzystać w systemie jako źródło czasu (interfejs SPI) oraz generator przerwań okresowych do wybudzania mikrokontrolera ze stanu głębokiego uśpienia.

Potencjał rynku

Fot. 2. EFL700A39 to litowo-jonowy akumulator cienkowarstwowy firmy STMicroelectronics o pojemności 0,7 mAh i napięciu znamionowym 3,9 V. Jego wymiary to 25,7×25,7×0,2 mm. Pełne naładowanie wymaga dołączenia do źródła 4,2 V przez 20 minut. Zakres temperatur pracy jest dość szeroki i sięga -20 ~ 60°C

Pierwsze baterie cienkowarstwowe i chipowe pojawiły się na rynku mniej więcej dekadę temu, niemniej dopiero pojawiające się liczne aplikacje IoT spowodowały gwałtowny wzrost zainteresowania tymi produktami. Zgodnie z najnowszym raportem firmy analitycznej IDTechEx pt. "Rynek cienkowarstwowych, drukowanych i elastycznych baterii zasilających w latach 2015-2025", rynek tych produktów osiągnie 300 mln dolarów w 2024 roku.

Raport definiuje wiele segmentów elektroniki, które staną się znaczącym odbiorcą tych komponentów w przyszłości, jak RFID, IoT i wybrane aplikacje konsumenckie, które będą potrzebować akumulatorów i baterii o różnym kształcie, pojemności, czasie życia, przeznaczeniu oraz technologii (tzw. chemii). Jednocześnie wiele aplikacji wchodzących na opisane rynki nie będzie dawać możliwości użytkownikowi wymiany ogniw i tym samym systemy te, instalowane przez producenta, będą musiały wystarczyć na cały okres eksploatacji.

Mała obudowa, wysoka integracja z odzieżą lub instalacja w niedostępnym miejscu wykluczy nawet wymianę przez serwis, gdyż w skrajnych przypadkach całkowita objętość aplikacji może wynosić jedynie kilka mm3. Aplikacja umieszczona w obudowie o wielkości ziarna grochu nie może też korzystać z klasycznych metod ładowania, bo nie da się w niej zmieścić złączy ani też nie ma możliwości wygodnego manipulowania takim urządzeniem.

Jedyną opcją na ewentualne doładowanie jest bezprzewodowy przesył energii drogą radiową lub poprzez sprzężenie indukcyjne, podobnie jak dzieje się to w klasycznych aplikacjach ładowarek do telefonów. Na koniec warto wspomnieć, że subminiaturowe akumulatory muszą zapewnić pełne bezpieczeństwo eksploatacji w czasie i dla wszystkich warunków środowiskowych.

Wiele tradycyjnych ogniw, np. litowo-jonowe, jest czułe na przeładowanie oraz przeciążenie i w skrajnych sytuacjach może się zapalić. Dobór chemii do takiego akumulatora musi brać to pod uwagę. Producenci eksperymentują w tym obszarze ze związkami litu, węglem oraz także grafenem.

Pierwsze rodzaje baterii miniaturowych z pewnością można było określić jako drogie i o małej pojemności. Dopiero opanowanie przez producentów procesu integracji w małej obudowie ogniw litowo-jonowych zapewniło finalnie większą wydajność i zwiększyło potencjał aplikacyjny. Przykładem takiego opracowania może być ogniwo firmy ST Microelectronics z rodziny EnFilm z elektrodą z tlenku kobaltu pokazane na fotografii 2. Jego trwałość wynosi maksymalnie 4000 cykli ładowania i rozładowania, maksymalny prąd rozładowania sięga 5 mA, a rezystancja wewnętrzna wynosi 100 Ω.

W technologii cienkowarstwowej dostępne są także inne kluczowe dla aplikacji przenośnych komponenty, takie jak anteny, czujniki oraz superkondensatory, które mogą wspomagać działanie takich układów zasilania.

W zakresie baterii subminiaturowych na rynku widać dwa główne trendy. Pierwszy opiera się na wykorzystaniu sprawdzonych ogniw litowo-jonowych, które wykonuje się w postaci elastycznej i cienkowarstwowej, o grubości kartki papieru, tak jak przykład pokazany na fotografii 2. Drugi sposób wyklucza chemię litowo-jonową, dzięki czemu baterie mogą być pakowane do obudów takich samych jak chipy, mogą być montowane w procesie SMT na płytkach drukowanych, a nawet integrowane razem ze strukturami krzemowymi w postaci S°C, jak widać na fotografii 1.

W przypadku tego drugiego podejścia uzyskiwane pojemności nie są na razie duże, ale w przyszłości może się to zmienić. Dla wymienionej baterii chipowej Ener-Chip firmy Cymbet sam akumulator ma 1,37×0,85 mm przy grubości 175 µm (5 µAh). W ofercie firmy są też ogniwa o większej pojemności, do maksymalnie 50 µAh. Warto też zwrócić uwagę na ostatnio wprowadzony na rynek podobny układ z rodziny EnerChip RTC CBC34803-M5C, zawierający zegar czasu rzeczywistego z kalendarzem oraz dodatkowo pamięcią na dane dla użytkownika, dodatkowymi liniami interfejsu IO, interfejsem I²C i oczywiście wbudowaną baterią o podobnej pojemności.

Fot. 3. Zestaw ewaluacyjny dla układu EnerChip CBC-34803 firmy Cymbet

Układ ten pracuje w szerokim zakresie temperatur od -10°C do +70°C. Pełne ładowanie po dołączeniu do źródła napięcia 2,5 V trwa ok. 15 minut i wystarcza na podtrzymanie działania układu RTC przez 100 godzin. Trwałość akumulatora jest większa niż 5 tys. pełnych cykli ładowania i rozładowania (w temperaturze 40°C trwałość spada do 2500 cykli). Układ zamknięty został w obudowie QFN o wymiarach 5×5×1,4 mm.

Razem z zegarem firma Cymbet oferuje konstruktorom zestaw ewaluacyjny CBC-EVAL-12-34803 pokazany na fotografii 3. Ma on wbudowany interfejs USB, za pomocą którego można odczytywać i programować rejestry układu EnerChip, kontrolować proces ładowania i monitorować stan akumulatora.

Oczywiście pojemności, jakie mają obecnie baterie subminiaturowe, nie są duże i w porównaniu nawet do małych tradycyjnych ogniw wydają się bardzo małe, bo najpopularniejsza bateria CR3032 zapewnia ok. 220 mAh przy 3 V napięcia znamionowego, ale są też wielokrotnie mniejsze. Niestety postęp w dziedzinie chemicznych źródeł prądu nie jest dynamiczny, więc o wiele łatwiej jest zmniejszać pobór energii dzięki technologii półprzewodnikowej, niż powiększać wydajność źródeł. Widać to w wielu nowych produktach wchodzących na rynek - najnowsze mikrokontrolery, jak m.in. Ambiq Micro wykorzystywany w układach firmy Cymbet, mają bardzo niewielkie wymagania energetyczne.

Warto dodać, że rozważania konstrukcyjne na temat kosztów i możliwości wykorzystania nowoczesnych miniaturowych źródeł energii można sobie ułatwić, wykorzystując specjalizowane oprogramowanie narzędziowe dostarczane przez firmę Cymbet, które wylicza koszt implementacji dla poszczególnych typów ogniw odwracalnych i jednorazowych wraz z opcjami współpracy z różnymi generatorami typu energy harvesting. Program szacuje też wszystkie koszty, uwzględniając wiele czynników, łącznie z procesem starzenia ogniw i stopniowej utraty parametrów oraz koniecznością ich demontażu i utylizacji. Dostępne są też gotowe projekty referencyjne.

Digi-Key Electronics
www.digikey.pl