預計可穿戴設備市場和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）運動在未來十年內將迅速擴大。這些應用領域對電子元件的主要技術要求是超低功耗，低成本，無線連接，在大多數(shù)情況下，超小尺寸。

能量收集已被確定為一種重要的供電技術可穿戴設備和無線傳感器節(jié)點。同時，用于儲能的電池被認為是大多數(shù)應用的必要條件。然而，今天的傳統(tǒng)形狀因素，包括紐扣電池，被視為嚴重的限制。薄度，靈活性和容量是關鍵因素。因此，薄膜/固態(tài)和印刷電池具有最大的潛力。本文將概述為可穿戴設備提供電池技術，電池壽命和可充電性的持續(xù)電源的挑戰(zhàn)。然后，它將突出顯示最新一代固態(tài)電池的優(yōu)勢，特別是它們的小尺寸，設計靈活性，以及通過收集的環(huán)境能量進行無線充電的能力。

將參考Cymbet公司的EnerChip系列產(chǎn)品具有集成實時時鐘和電源管理功能的固態(tài)電池及其各自的評估套件。

圖1：Cymbet的Enerchip CBC34813-M5C結合了固態(tài)可充電電池具有實時時鐘和集成電源管理功能。容量為5μAh，輸出電壓為2.5 V.器件尺寸為5 x 5 mm。市場增長

雖然薄膜和固態(tài)電池已經(jīng)存在了十年或更長時間，但新興市場的增長包括可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)。產(chǎn)生重大的新興趣。根據(jù)市場研究公司IDTechEx在其最近的報告“柔性，印刷和薄膜電池，2015年至2025年”，1到2024年，該設備級市場將價值3億美元。

該報告強調，包括可穿戴設備，物聯(lián)網(wǎng)，RFID，消費電子產(chǎn)品和醫(yī)療設備在內的不同領域將需要不同形狀因數(shù)，功率密度，壽命，當然還有價格點的電池。報告總結說，可穿戴應用在很大程度上需要高能源，如薄膜和柔性鋰電池，預計將顯示出最高的市場潛力。

據(jù)Cymbet公司的Steve Grady所說，剛剛發(fā)布白皮書，許多應用程序的限制是電源。 “將需要新的電源解決方案：小型，薄型，自充電且永不需要更換的電源解決方案。傳統(tǒng)電池根本無法滿足要求，“Grady說.2

可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)領域增長背后的主要驅動技術，即超低功耗處理器，傳感器和RF/無線網(wǎng)絡電路，都是他補充說：“電池壽命長 - 大多數(shù)可穿戴產(chǎn)品都采用了能夠延長產(chǎn)品使用壽命的電源，因此可以隨時使用，并集成到極小的封裝中 - 僅為1mm3。有些設備可以通過能量收集技術單獨供電。由射頻或電磁波驅動的基于心跳的植入式心臟起搏器和基于超低功率傳感器的節(jié)點被證明是可行的，以允許無電池設計。

某些應用需要非常少的功率和/或具有有限的壽命（例如一些醫(yī)療設備或RFID標簽），單個不可充電電池可能足以維持產(chǎn)品的預期使用壽命。但是，在許多情況下，需要電池，通常無法取出充電，也不能連接充電線。無線充電正成為一種理想的選擇。電池壽命已經(jīng)成為許多智能移動設備最重要的方面，盡管專注于超低功耗電路，但它可以嚴重限制可以加入的功耗越來越大的特性和功能。對于可穿戴設備，外形與容量同樣重要，理想情況下電池需要小而薄，并與電子電路共同封裝。

Cymbet的白皮書概述了傳統(tǒng)化學電池的許多缺點，包括鋰離子和紐扣電池類型。這些包括火災或爆炸的風險，特別是在暴露于高溫和反復過度充電的情況下。

同時，全球范圍內的研究很多，專注于提高電池容量，減小電池尺寸，使其靈活，重要的是，低成本。各種材料組合正在開發(fā)和試驗中，包括陶瓷結合鋰，鋰硫，碳/石墨烯鋰，皺巴巴的石墨烯紙，石墨烯基紙等等。

薄膜，固態(tài)和紙質柔性電池已經(jīng)存在多年，但大多數(shù)往往是低容量和昂貴的。固態(tài)鋰技術可以提供更高的容量，使其在某些應用中更有用，但卻以犧牲尺寸為代價。請參見下面的圖2，了解最近的介紹。

圖2：意法半導體的EFL700A39薄薄的固態(tài)鋰薄膜可充電電池容量為0.7 mAh工作電壓范圍為3至4.2 V.尺寸為25.7 x 25.7 mm。在4.2 V的恒定電壓下充電時間是20分鐘。

同時，IDTechEx已經(jīng)觀察到越來越多的努力開發(fā)更廣泛的印刷元件，從用于標簽的RF天線開始，但現(xiàn)在擴展到包括傳感器，存儲器和邏輯，以及存儲設備，如電池和超級電容器。這引領了更加高度集成的小型化解決方案，更適合物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點和最終可穿戴應用。無鋰電池 - 基于硅的固態(tài)設計的一個關鍵優(yōu)勢是它們可以廉價且可靠地制造經(jīng)證實的半導體工藝。此外，它們可以作為獨立設備封裝，或者與其他電路一起以裸片形式集成。這是Cymbet采用EnerChip系列無鋰固態(tài)電池芯片的路線。最小的裸片形式是CBC005，容量為5μA，尺寸僅為1.37 x 0.85 mm，厚度為175μm。它可以與公司的集成電源管理電路和/或超低功耗實時時鐘一起打包。目前可用的電池容量為5μAh，12μAh和50μAh。該公司最新推出的產(chǎn)品之一是EnerChip RTC CBC34803-M5C，它結合了實時時鐘和針對低功耗應用而優(yōu)化的日歷，集成可充電固態(tài)備用電池和所有電源管理功能。雖然主要用于提供低成本，小尺寸（5 x 5 x 1.4 mm）備用電源解決方案，但它說明了該技術的功能。輸出電壓為2.5 V，充電時間為80％僅需15分鐘。每次充電可實現(xiàn)最多100小時的實時時鐘備份，并且可以進行超過5，000次充電循環(huán)。

評估套件CBC-EVAL-12-34803可用，具有USB接口板，CBC-TAB-34803，插入PC。該套件允許設計人員探索具有I2C接口總線的低功耗實時時鐘的功能，電源管理功能，如電源故障檢測，電池充電和放電監(jiān)控，以及可提供的固態(tài)電池本身對實時時鐘的100小時備用電源。

圖3：用于CBC-34803集成固態(tài)電池，實時時鐘和電源管理電路的Cymbet評估套件可插入PC的USB端口。

Cymbet EnerChip電池技術的一個主要優(yōu)勢是無線充電，通常通過能量收集，近場（NFC）感應或RF充電實現(xiàn)。能量收集對于可穿戴設備是一種有用的技術，特別是使用運動，壓電或熱電技術。例如，健身監(jiān)測小工具可以在使用時通過身體運動提供動力，但是在不使用時使用太陽能，RF或磁感應技術進行再充電。與皮膚接觸的健康監(jiān)測裝置可以利用身體和周圍空氣之間的溫度差異。收集的能量可用于直接為傳感器和電路供電，和/或為電池充電。

可穿戴設備的關鍵設計因素是最大化能量存儲設備的能量密度并最小化功耗。超低功耗，微型微處理器現(xiàn)已上市，包括Cymbet使用的Ambiq Micro，以及極低功耗的傳感器和電源管理器件。功率效率的一個重要設計考慮因素是確保設計只是在適合應用的時間間隔內進行傳感器測量，并且電路在兩次之間恢復到低功耗睡眠模式。

Cymbet的白皮書提供一個有用且有趣的計算器，用于比較可充電或可更換的原電池（提供應用可以容納大量電池）和采用能量收集技術的成本。細節(jié)處于細節(jié)之中，需要對制造，運營和總產(chǎn)品壽命成本進行一些分析，包括老化特性和報廢處理程序等因素。最后，它概述了優(yōu)化能量收集設計的一些技術?？纱┐骷夹g和無線傳感器節(jié)點，并提供了一些設計實例。

結論

隨著可穿戴技術和物聯(lián)網(wǎng)運動迅速擴展，電池尺寸和外形尺寸可以說是最重要的挑戰(zhàn)。可以與傳感器和電子電路集成的固態(tài)可充電電池可以提供解決方案。但是，在電池容量和尺寸方面總會有一個權衡。超低功耗電路，智能電源管理和能量收集可以為控制電源需求做出重大貢獻。無鋰解決方案提供了更加生態(tài)化的方法，而無線充電有助于將尺寸降至最低。