Ваш город: Москва
+7 (495) 221-78-04
+7 (812) 327-327-1
Терраэлектроника

Твердотельные аккумуляторы от Cymbet. Миниатюрная альтернатива суперконденсаторам

Cymbet Corp.

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.

Миллиметровые твердотельные аккумуляторы EnerChip от Cymbet

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 on 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 x 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 x 2,15 мм, толщина 200 мкм.

EnerChip CBC910 – микросхема зарядного устройства со встроенным преобразователем напряжения и управляющей логикой.

Внешний вид твердотельных аккумуляторов EnerChip от Cymbet

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 саморазрядДля 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 размерыСамая 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).

Твердотельные аккумуляторы могут быть размещены в одном корпусе с другими кристаллами

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).

Сравнение объемов различных элементов питания

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 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.

Монтаж твердотельных аккумуляторов EnerChip на печатной плате

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 суперкондденсаторов 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).

Разрядная характеристика для EnerChip CBC050-BDC

Рис. 6. Разрядная характеристика для EnerChip CBC050-BDC

Отличная временная стабильностьПо 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.

Зарядная кривая для EnerChip CBC050-BDC

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).

Сравнение удельной стоимости элементов питания

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.

Параллельное включение EnerChips CBCxxx

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.

Пример использования EnerChips CBCxxx в смартфоне

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 x 2,15 мм с толщиной 200 мкм.

Производитель: Cymbet Corp.
CBC050-BDC-WP CBC050-BDC-WP Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
Твердотельный аккумулятор ёмкостью 50 мкА, с возможностью 5000 циклов перезаряда (общая энергия за время работы 25 мА·ч). Габариты чипа составляют 5,7 x 6,1 мм, а его толщина всего 200 мкм. По запросу
CBC050-M8C CBC050-M8C Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
Электронная батарея 50uAhr EnerChip 8x8 MLF C Temp
369,00 r
от 10 шт. 317,00 q
от 21 шт. 291,00 q
CBC012-D5C CBC012-D5C Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
Электронная батарея 12uAhr EnerChip 5x5 DFN C Temp
195,00 r
от 18 шт. 167,00 q
от 39 шт. 153,00 q
CBC3150-D9C CBC3150-D9C Цена, руб. Срок поставки Укажите
кол-во:

Электронная батарея 50uAhr EnerChip and CBC910 9x9MLF C Temp
114,00 r
На складе: 36 шт.
Версия для печати версия для печати

Заметили ошибку в работе сайта?
Скажите нам об этом