На портале Унитера уже публиковались статьи, посвященные твердотельным элементам питания от Cymbet. В этих статьях в общих чертах были рассмотрены основные достоинства новых аккумуляторов. Однако у многих читателей мог возникнуть логичный вопрос: чем элементы питания от Cymbet лучше, например, чем суперконденсаторы или миниатюрные батарейки. В данной публикации постараемся ответить на этот вопрос.
 |
|
| Рис. 1. | Миллиметровые твердотельные аккумуляторы EnerChip от Cymbet. |
Суперконденсаторы и миниатюрные батарейки, например, популярные CR2032, являются проверенными и надежными элементами питания для очень многих приложений от автономных датчиков до персональных компьютеров и сотовых телефонов. Среди их основных достоинств можно выделить большую емкость, высокую надежность, низкую стоимость. Нет сомнений, что эти компоненты еще долго будут востребованы в самых различных областях электроники. Вместе с тем у них есть и недостатки.
В последнее время на рынке все чаще появляются компоненты со сверхнизким потреблением. О многих из них мы неоднократно писали на портале Унитера. Например, программируемые микросхемы смешанной логики GreenPAK от Silego могут работать со средним током 1 мкА. Еще одним образцом экономичности являются микроконтроллеры Apollo от AmbiqMicro, которые благодаря уникальной субпороговой технологии SPOT™ (Sub-threshold Power Optmized Technology) в активном режиме потребляют 34 мкА/МГц (3.3 В), а в режиме сна ток и вовсе падает до 143 нА! Столь низкое потребление приводит к некоторым важным последствиям.
Во-первых, такие малопотребляющие компоненты не требуют гигантских элементов питания. Во-вторых, появляется возможность использования маломощных источников альтернативных энергии, например, солнечных батарей или харвестеров вибрации. В третьих, становится реальностью создание по-настоящему автономных датчиков и решений. На словах все выглядит замечательно, однако эти преимущества не всегда можно реализовать из-за недостатков элементов питания.
Суперконденсаторы и миниатюрные батарейки оказываются не такими уж миниатюрными. Кроме того, они отличаются высоким саморазрядом и зачастую становятся чужеродным элементом в составе датчиков. Учитывая все вышесказанное, компания Cymbet в качестве альтернативы для некоторых приложений предлагает использовать свои твердотельные элементы питания EnerChip (Solid State Batteries).
Ранее компания Cymbet выпускала бескорпусные микросхемы и кристаллы твердотельных аккумуляторов (baredie), а также корпусные микросхемы, в состав которых дополнительно входили часы реального времени и преобразователи напряжения. Однако сейчас к услугам пользователей доступны только бескорпусные решения (Рис. 2):
EnerChip CBC050-BDC – твердотельный аккумулятор ёмкостью 50 мкА·ч, с возможностью 5000 циклов перезаряда (общая энергия за время работы 25 мА·ч). Габариты чипа составляют 5.7 × 6.1 мм, а его толщина всего 200 мкм.
EnerChip CBC005-BDC – твердотельный аккумулятор ёмкостью 5 мкА·ч (общая энергия за время работы 2.5 мА·ч). Габаритные размеры кристалла 1.75 × 2.15 мм, толщина 200 мкм.
EnerChip CBC910 – микросхема зарядного устройства со встроенным преобразователем напряжения и управляющей логикой.
 |
|
| Рис. 2. | Внешний вид твердотельных аккумуляторов EnerChip от Cymbet. |
По заверениям Cymbet новые аккумуляторы, несмотря на малую емкость, превосходят суперконденсаторы и обычные химические источники тока по целому ряду параметров. Рассмотрим их достоинства более подробно.
Минимальный саморазряд. Для твердотельных аккумуляторов EnerChip CBCxxx саморазряд составляет всего 1-2% в год. Для сравнения аналогичный параметр для суперконденсаторов превышает 10-20% в день! Очевидно, что при использовании суперконденсаторов эти потери приходится постоянно восполнять, а значит, работа автономного датчика сильно зависит от параметров среды, например, от уровня освещения, если основным источником энергии являются солнечные батареи.
Минимальные размеры. Самая маленькая стандартная марганцево-щелочная батарейка-таблетка LR63 (стандарт МЭК) имеет диаметр 5.8 мм и толщину 2.15 мм. Размеры EnerChip CBCxxx оказываются сопоставимыми, зато толщина в 10 раз меньше. Столь малые габариты дают возможность интегрировать аккумулятор прямо внутрь корпуса SiP-микросхемы (Рис. 3).
 |
|
| Рис. 3. | Твердотельные аккумуляторы могут быть размещены в одном корпусе с другими кристаллами. |
Конечно, расплатой за «тонкость» становится значительно более низкая емкость. Однако по расчетам инженеров Cymbet удельная энергия на единицу объема у твердотельных аккумуляторов оказывается выше. При этом каждое следующее поколение демонстрирует все лучшие показатели (Рис. 4).
 |
|
| Рис. 4. | Сравнение объемов различных элементов питания. |
Технологичность. Как уже было сказано выше, элементы EnerChip могут быть помещены в одном корпусе с другими микросхемами. Кроме того, твердотельные аккумуляторы от Cymbet совместимы с Pb-free технологиями монтажа SMD-компонентов. Это позволяет распаивать их вместе с другими элементами на печатной плате (Рис. 5). В то же время, для обычных батареек требуются специальные держатели, так как распаивать их в принципе нельзя. Некоторые типы ультраконденсаторов позволяют выполнять SMD-монтаж, но у них есть свои недостатки. Во-первых, такие суперконденсаторы имеют меньшую емкость. Во-вторых, стоимость их достаточно высока, особенно если речь идет о возможности использования бессвинцовой пайки.
 |
|
| Рис. 5. | Монтаж твердотельных аккумуляторов EnerChip на печатной плате. |
Отличная температурная стабильность. Диапазон рабочих температур для EnerChip CBCxxx составляет –40…70 °C, а хранения –40…125 °C. При этом их характеристики остаются достаточно стабильными, а главное Cymbet приводит подробные данные о температурных зависимостях в документации. Как правило, для суперконденсаторов такие данные могут и вовсе отсутствовать. Работа химических аккумуляторов и батарей при отрицательных температурах затруднена. Впрочем, существуют серии элементов питания с рабочим диапазоном до –55 °С, однако их габариты оказываются значительными.
Высокое выходное напряжение. Номинальное выходное напряжение для твердотельных аккумуляторов EnerChip составляет 3.8 В, что весьма удобно для современных низковольтных микросхем. В то же время суперконденсаторы обычно имеют номинальное напряжение около 2.6 В, при этом оно значительно проседает при разряде.
Высокая стабильность выходного напряжения при разряде. Как было сказано выше, у суперкондесаторов значение выходного напряжения линейно убывает при равномерном разряде. Например, начальное значение может составлять 3.3 В, а при разряде 50% напряжение падает до 1.65 В. В противоположность этому у аккумуляторов EnerChip разрядная характеристика достаточно стабильна. Максимальное начальное значение напряжения составляет примерно 4.1 В. Основная мощность передается в нагрузку при напряжении более 3.8 В. Даже при разряде 95% выходное напряжение оказывается больше чем 3.6 В (Рис. 6).
 |
|
| Рис. 6. | Разрядная характеристика для EnerChip CBC050-BDC. |
Отличная временная стабильность. По данным Cymbet после выполнения 5000 циклов заряда-разряда емкость EnerChip CBCxxx падает не более чем на 20%. Для суперконденсаторов производители часто не указывают величину падения емкости в процессе эксплуатации. Это весьма неудобно для пользователей, так как им либо приходится выбирать элемент питания с запасом по емкости, либо самостоятельно проводить испытания.
Высокая скорость зарядки. Время заряда аккумуляторов EnerChips CBCxxx от 10% до 80% емкости составляет всего 10 минут (Рис. 7). При этом заряжать их можно обычным напряжением без сложных алгоритмов, свойственных химическим элементам.
 |
|
| Рис. 7. | Зарядная кривая для EnerChip CBC050-BDC. |
Экологичность. В последнее время наблюдается ужесточение законодательства в области экологии. Это касается не только Европы, но и России. Твердотельные элементы питания EnerChips CBCxxx в принципе не содержат токсичных материалов. Зато химические аккумуляторы и батарейки этим похвастаться не могут.
Невысокая стоимость. Из-за использования полупроводниковых технологий можно ожидать, что стоимость EnerChips CBCxxx будет снижаться с увеличением объемов производства. Если сравнивать с суперконденсаторами и батарейками, то EnerChips выглядят на их фоне весьма неплохо (Рис. 8).
 |
|
| Рис. 8. | Сравнение удельной стоимости элементов питания. |
Стоит отметить, что, несмотря на все преимущества EnerChips CBCxxx, в ближайшем будущем они не смогут заменить традиционные суперконденсаторы и химические элементы тока. Однако уже сейчас могут их потеснить в некоторых приложениях.
Таким образом, при выборе элемента питания стоит сохранять максимальное спокойствие и непредвзятость. Требуется большая емкость – Ваш выбор – суперконденсаторы и аккумуляторы. Если в режиме сна необходимо сохранять только контекст и значения теневых регистров микроконтроллера – стоит рассмотреть возможность использования твердотельных аккумуляторов EnerChips CBCxxx. Впрочем, хочется отметить, что твердотельные аккумуляторы допускают параллельное включение (Рис. 9). Таким образом, их суммарную емкость можно значительно поднять.
 |
|
| Рис. 9. | Параллельное включение EnerChips CBCxxx. |
Есть основания полагать, что время масштабного наступления твердотельных аккумуляторов еще впереди, однако уже сейчас их начинают применять в медицинских датчиках, смартфонах (Рис. 10), инженерных системах и т. д.
 |
|
| Рис. 10. | Пример использования EnerChips CBCxxx в смартфоне. |
Характеристики твердотельного аккумулятора CBC050-BDC-WP:
- номинальное напряжение: 3.8 В;
- номинальная емкость: 50 мкА·ч;
- напряжение полного заряда: 4.1 В;
- число циклов заряд-разряд: >5000;
- потеря емкости после 5000 циклов заряд-разряд: 20%;
- диапазон рабочих температур: –40…75 °C;
- диапазон температур хранения: –40…125 °C;
- исполнение: бескорпусное 1.75 × 2.15 мм с толщиной 200 мкм.
Посмотреть более подробно технические характеристики твердотельных аккумуляторов от Cymbet
