利用可充电薄膜存储器件设计电源

 薄膜电池为工程师提供了一个独特的组件，可用于为电路设计设计电源。薄膜器件具有超级电容器和传统电池的许多优点，是半导体器件，可简化电路集成，同时提供高能量密度，放电速率和生命周期。工程师可以使用Cymbet和Infinite Power Solutions等供应商提供的可充电薄膜存储设备来增强设计。

这些器件将超级电容器中的高电流与电池的能量密度和低漏电流相结合。与传统的可充电电池相比，薄膜电池可以实现更多的放电/充电周期 - 在100%放电深度时更高一个数量级，在10%放电深度下可以达到两个数量级。薄膜电池的体积小于超级电池或标准电池，并且泄漏几乎为零。此外，这些固态器件可视为电路的永久性附加物，为其提供的电路的有效寿命提供可再充电电源。

通过气相沉积在基板上形成(图1A)，完成层的整个高度确实很薄，为10-15μm。当Li离子从阳极扩散到阴极膜时，薄膜存储装置产生电力，移动通过通常由锂磷氮氧化物(LiPON，图1B)制造的固体电解质层。该过程是可逆的，因此电池可以再充电，并且Li离子通过反转电流恢复到阳极。

 

 

图1：(A)通过气相沉积在基板上制造的薄膜电池的横截面的显微照片; (B)横截面的示意图，其中箭头示出了锂离子从阳极到阴极通过固体电解质的扩散路径。 (电化学学会提供。)在实践中，商用薄膜电池是包含多层的复杂半导体器件(图2)。与传统的锂离子电池一样，薄膜电池在其完全放电容量的宽中间范围内保持相对平坦的电压输出(图3)。

 

 

图2：商用薄膜存储设备是围绕阳极，电解质和阴极的基本分层结构构建的复杂半导体。 (由Infinite Power Solutions提供。)

 

 

图3：薄膜电池展示了锂离子电池的典型特性，在其放电容量的宽中间范围内提供接近恒定的电压输出。 (由Infinite Power Solutions提供。)

与传统的锂离子电池不同，薄膜电池可以以更高的速率充电。例如，无限电源解决方案THINERGY MEC201-10P可以40 C的速率充电至50%容量，而传统锂离子电池的建议充电速率约为2 C或更低。由于1 C是相对于电池在一小时内的全部容量的充电或放电速率，因此对于额定为1.0 mAh的MEC201-10P充电的40 C速率对应于40 mA充电电流。然而，工程师需要考虑这些设备的温度依赖性。在环境温度每升高10°C(或降低)时，电池阻抗上升(或下降)两倍。反过来，最大放电电流和充电速率可随温度显着变化。

工程师可以找到各种容量的薄膜电池。无限电源解决方案0.17毫米厚的THINERGY系列包括容量范围为0.13 mAh至2.2 mAh(25°C)的器件，同时支持100，000次充电循环，每年典型的电荷损失为2%。

最小的THINERGY器件，12.7 x 12.7 mm MEC225，最大连续放电电流为7 mA时，容量为0.13 mAh。中档设备包括MEC220的两种变体(最大容量为0.3和0.4 mAh，最大连续放电电流为15 mA)和MEC201的两种变体(0.7和1.0 mAh，最大连续放电电流为40 mA)。

最大的THINERGY设备，25.4 x 50.8 mm MEC202-17提供1.7 mAh容量，而-22型提供2.2 mA容量。两种版本均可提供90 mA的最大连续放电电流。所有THINERGY设备均采用4.1 V恒压电源供电，保质期为15年。

Cymbet提供各种容量和封装选择的EnerChip薄膜存储设备。 EnerChip CBC012是一款5 x 5 x 0.9 mm器件，提供12μAh容量(25°C时放电50μA)，脉冲放电电流为100μA。 EnerChip CBC050采用8 x 8 QFN SMT封装，提供50μAh容量(25°C时放电100μA)，脉冲放电电流为300μA。

薄膜存储设备非常适合在负载点设计中使用，其中电源尽可能靠近负载。这种技术不仅可以最大限度地减少I2R损耗，还可以进一步隔离电路。薄膜存储设备允许设计人员实施这种方法，因为这些设备可以像建筑模块，印刷电路板和子系统中的任何其他IC一样对待。

Cymbet将其EnerChip器件作为裸片提供，允许更紧凑的封装用于负载点设计(图4)。使用EnerChip裸片，工程师使用倒装芯片技术将器件焊接到电路板上。除了12μA的CBC012和50μA的CBC050裸芯片版本外，EnerChip还提供1和5μAh裸芯片。

 

 

 

 

图4：薄膜电池是可以与其他设备一起包装的半导体设备(A)和利用倒装芯片技术(B)进行电路板连接。 (由Cymbet提供。)

工程师可以在单个设备中找到将薄膜存储与附加功能相结合的混合薄膜电池。例如，Cymbet提供其EnerChip系列的变体，它将薄膜存储与电源管理电路相结合(图5)。例如，EnerChip CC CBC3105提供5μAh容量，而EnerChip CC CBC3112提供12μAh容量。

 

 

图5：薄膜存储设备可以与附加电路集成。 Cymbet EnerChip CC CBC3105将电荷泵和电源管理电路与集成的薄膜存储相结合。 (由Cymbet提供。)

在这里，设备使用其内部电荷泵在正常操作期间自行充电。当芯片的电源电压低于工程师用户指定的阈值电压时，器件将内部薄膜存储器的输出路由到输出。