CN105009404B - 薄膜微电池充电和输出控制 - Google Patents

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Abstract

一种用于可再充电薄膜微电池单元的充电和输出控制的控制***，其包括充电控制逻辑构件，其经配置以控制薄膜微电池单元的充电水平；电池切断逻辑构件，其用于在预定条件下停止在所述薄电池薄膜微电池单元上的电流汲取；模式控制逻辑构件，其可操作地耦合到所述充电控制逻辑构件和所述电池切断逻辑构件，以使得所述充电控制逻辑构件和所述电池切断逻辑构件能够在预定条件下操作；以及用于输送所述***外部的电压的开关电容DC‑DC下转换器构件，其经配置以至少2:1的因数降低电池输出电压电位。还描述了可操作地连接到可再充电薄膜微电池单元的***和包括所述***和所述微电池单元的供电装置。

Description

薄膜微电池充电和输出控制
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2012年11月29日提交的名称为“薄膜微电池充电和输出控制(THIN-FILM MICROBATTERY CHARGE AND OUTPUT CONTROL)”的第13/688,986号美国非临时申请案的权益，所述申请案以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及薄膜储能装置的领域，且更确切地说涉及薄膜微电池充电和输出的控制。
背景技术
电子设备已经并入到许多便携式装置中，例如计算机、移动电话、跟踪***、扫描仪等。便携式装置的一个缺点是需要包含所述装置的电源。便携式装置通常将电池用作电源。电池必须具有足够的容量来对所述装置供电，所述供电维持至少所述装置在使用中的时长。足够的电池容量可能导致与所述装置的其余部分相比相当重和/或大的电源。因此，具有足够的储能的较小且较轻的电池(即，电源)是所希望的。超级电容器等其它储能装置，以及光伏和燃料电池等能量转换装置，是用作在便携式电子设备和非便携式电力应用中的电源的电池的替代方案。
一种储能装置是固态薄膜微电池。第5,314,765号、第5,338,625号、第5,445,906号、第5,512,147号、第5,561,004号、第5,567,210号、第5,569,520号、第5,597,660号、第5,612,152号、第5,654,084号以及第5,705,293号美国专利案中描述了薄膜电池的实例。第5,338,625号美国专利案描述了一种薄膜电池，尤其是薄膜微电池，以及一种用于制造具有作为用于电子装置的备用或第一集成电源的应用的薄膜电池的方法。第5,445,906号美国专利案描述了一种用于制造薄膜电池结构的方法和***，所述结构用利用多个沉积站的方法形成，当衬底自动地移动通过所述站时，在所述沉积站处，薄电池构件膜依次在网状衬底上建立。
还需要促进在小装置中的电源供给的装置和方法。
发明内容
提供了一种控制***，其控制可再充电薄膜微电池单元的充电控制和输出控制。本***包含充电控制逻辑构件，其经配置以控制薄膜微电池单元的充电水平。充电控制逻辑构件因此保护且延伸电池寿命。另外，包含电池切断逻辑构件以在预定条件下停止在薄电池薄膜微电池单元上的电流汲取。模式控制逻辑构件可操作地耦合到充电控制逻辑构件和电池切断逻辑构件，以使得充电控制逻辑构件和电池切断逻辑构件能够在预定条件下操作。
用于输送***的外部的电压的开关电容DC-DC下转换器构件经配置以至少2:1的因数降低电池输出电压电位。此开关电容DC-DC下转换器构件以对低功率装置供电的有效方式降低输出能量，因此微电池的有效操作是至少两倍长。在本环境中下转换器技术的使用提供三重益处。首先，电压的降低提供V2/R乘数优点，从而导致大大降低的负载的功率消耗；第二，以较低电压操作导致对未使用的能量的较少浪费以操作如实时时钟等低功率装置；以及第三，因为从微电池汲取的电流的量较低，所以通过微电池内部阻抗经历较少的功率损耗。另外，因为从微电池汲取较少的电流，微电池的操作温度得以扩展。在较低温度处的微电池比在较高温度处的相同微电池显示出更高的阻抗。因为本***准许以较少的电流操作相同的装置，所以微电池的有效温度范围扩展到包含在较低温度处的有效操作。类似地，当微电池暴露于多个周期下时，微电池的阻抗的水平增加。因为本***准许以较少的电流操作相同的装置，所以通过本***控制的微电池需要较少的周期来执行相同量的工作，从而增加微电池的寿命。
在单一***中的上述构件中的全部四者的组合提供高度有效的控制，所述控制导致可再充电薄膜微电池单元与不具有本文中提供的充电控制和输出控制的相似单元相比的更优的可靠性和功能性。
在实施例中，上述构件中的全部四者都位于单一集成电路上。在实施例中，所述***具有作为一体式封装的薄膜微电池。
在优选实施例中，充电控制逻辑经配置以在***的环境温度超出预定值时，降低薄膜微电池的电压。
附图说明
并入在本申请案中且构成本申请案的一部分的附图图示了本发明的若干方面，并且与对实施例的描述一起用以说明本发明的原理。附图简要说明如下：
图1是示出用于本发明的充电和输出控制的控制***的实施例的总体架构的图式。
图2是示出本发明的充电控制逻辑的实施例的架构的图式。
图3是示出本发明的电池低压切断构件和开关电容DC-DC下转换器构件的实施例的架构的图式。
图4是示出本发明的模式控制逻辑构件的实施例的架构的图式。
图5是示出用于本发明的充电和输出控制的控制***的三端实施例的总体架构的图式。
图6是示出用于本发明的充电和输出控制的控制***的两端实施例的总体架构的图式。
具体实施方式
应理解，根据本发明的装置和方法包含但不限于，常规构件的新颖组合，且不仅是其特定的详细配置。因此，常规构件和电路的结构、方法、功能、控制和布置大部分已经在图式中通过可容易理解的方块表示和示意图图示出，以便不使本发明与所属领域的技术人员得益于本文中的描述而容易明白的结构细节相混淆。此外，本发明不限于示例性图式中所描绘的特定实施例，但应根据权利要求书中的语言来解释。
出于本发明的目的，薄膜微电池单元是具有不超出60mm、更优选地不超出20mm的最长尺寸的微电池单元，且具有从阳极和阴极集电器的对应的内表面测量的不超出50微米的厚度。另外，每个个别的微电池单元具有不超过约500μAH的有效容量。已发现，具有如本文所提供的充电控制和输出控制两者的低功率容量可再充电薄膜微电池显示出优良的长期性能，且可以可靠的方式为先前不可实现的应用环境提供功率。
在本发明的实施例中，每个个别的微电池单元具有从约500μAH到约1μAH的有效容量。在本发明的实施例中，每个个别的微电池单元具有从约500μAH到约200μAH的有效容量。在本发明的实施例中，每个个别的微电池单元具有从约200μAH到约50μAH的有效容量。在本发明的实施例中，每个个别的微电池单元具有从约50μAH到约25μAH的有效容量。在本发明的实施例中，每个个别的微电池单元具有不超过约25μAH的有效容量。在本发明的实施例中，每个个别的微电池单元具有从约25μAH到约1μAH的有效容量。上文提及的微电池容量范围中的每一者界定唯一功率输送能力，所述功率输送能力提供在具有相对应的功率消耗的装置的供电中的优点。此类装置先前不具有电池电源，所述电池电源是具有如本***所提供的性能特性的薄膜可再充电微电池。
如本文中所使用，术语“微电池单元”包含可操作的微电池单元组件，以及，另外的，尚未可操作但将在应用初始充电后可操作的微电池单元。
在优选实施例中，微电池单元是固态单元，这意味着它不含如液体一样流动的分立构件。固态构件可以包括(例如)聚合物电解质，其中聚合物与溶剂组合以提供适当的离子转移特性。然而，在电池的物理危害的情况下，与聚合物相关联的溶剂并不以准许溶剂从电池单元流动的量存在。固态薄膜微电池是有利的，因为它是特别地稳健且耐久的，且可以用于其可能暴露于物理损害和温度挑战下的应用中。
图1示出了用于可再充电薄膜微电池单元的充电和输出控制的控制***10的总体架构。控制***10包括充电控制逻辑构件20，其经配置以控制薄膜微电池单元25的充电水平。充电控制逻辑20根据预定值或通过由外部接口设定的值来测量和控制将施加到薄膜微电池单元25的输入电压。例如，将施加到薄膜微电池单元25的输入电压可以设定在4.1V处，且可以替代地通过外部接口(未图示)设定在更高或更低电位处。用于充电控制逻辑构件20的实施例的具体架构在图2中更加详细地示出。操作电池切断逻辑构件30以在预定条件下停止在薄电池薄膜微电池单元25上的电流汲取。用于电池切断逻辑构件30的实施例的具体架构在图3中更加详细地示出。模式控制逻辑构件40可操作地耦合到充电控制逻辑构件20和电池切断逻辑构件30，以使得充电控制逻辑构件和电池切断逻辑构件能够在预定条件下操作。模式控制逻辑构件40判定外部电源是否已经断开使得所述装置在电池电源上操作、是否需要电池或电池是否在充电、以及当在两端模式中操作时是否应该切断电池以作为装置的电源。在恢复外部电源后，模式控制逻辑构件40通过打开充电控制器20经由充电泵使能器信号线42重新开始电池充电操作。通过充电泵使能器信号线42向电池切断30另外提供边缘控制信号，因此薄膜微电池单元25可以连接到负载。任选地，模式控制逻辑构件40具有复位线46，所述复位线向外部构件提供信号以告知***在充电模式中且未用掉备用电池电源。模式控制逻辑构件40的实施例的具体架构在图4中更加详细示出。开关电容DC-DC下转换器构件35经配置以至少2:1的因数降低电池输出电压电位。输出电压可以预设、或可以任选地使用外部接口50选定。开关电容DC-DC下转换器构件35的实施例的具体架构在图3中更加详细示出。
在本发明的实施例中，薄膜微电池单元25提供为物理上与***的控制构件分开的构件。在优选实施例中，***的控制构件提供在单一集成电路中，所述集成电路可以与薄膜微电池单元分开制造和/或出售。所述***可以因此供应到硬件制造，所述硬件制造将把电池电连接到控制***以提供一体式电池/控制***以用于随后并入装置中，或可以同时或依次将单独的电池和控制***并入在装置中。
图2示出了充电控制逻辑架构的实施例，由此充电控制器构件200包括温度补偿开关电容DC-DC升压转换器220，其充当用于将电压提升到所希望水平的充电泵。在实施例中，开关电容DC-DC升压转换器220可以位于其中驻留有本发明的控制***的其它构件的集成电路的外部。在优选实施例中，开关电容DC-DC升压转换器220位于其中驻留有本发明的控制***的其它构件的相同集成电路上。在替代实施例中，通过位于单独的电路上的感应升压转换器替代地提供充电泵功能。然而，出于空间和经济原因，将开关电容DC-DC升压转换器用作充电泵是优选的。开关电容DC-DC升压转换器220可操作地连接到温度控制器参考230，所述温度控制器参考测量温度控制器参考230的环境温度且向开关电容DC-DC升压转换器220提供信息，因此提供到薄膜电池260的电压水平根据预定标准得到温度补偿。应理解，温度控制器参考230可以经配置以测量电池的实际温度，或可以经调整以在温度不相同的情况下预测电池的温度。已发现，薄膜电池的效率和预期寿命可以通过优化充电电位与温度的关系来最大化。因此，特定的薄膜固态电池优选地在23℃下充电到4.1V的电位。当电池较变热时，为了最优效率和预期寿命，应该降低电池的电位。在本发明的实施例中，根据超过23度每℃约2到2.5mV的算法降低薄膜微电池的电压。在优选实施例中，充电控制器构件200包括温控电流吸收器240，例如分流调节器。在电池充满电且温度控制器参考230检测到温度已经增加到电池在充电时的所希望水平之上的情况下，温度控制器参考230发送信号以接合温控电流吸收器240，由此释放能量且将电池的电位降低到对于电池的环境温度所希望的水平。充电控制器构件200另外任选地包括充电电路断电开关250，其准许外部地关闭充电泵，因此使电池不连续地偏置或充电，且另外可以经循环以提高总电池寿命。
图3示出了本发明的实施例，其特别地论述了在薄膜微电池单元360的下游的构件的细节。确切地说，电池切断逻辑构件310在所述装置操作(且因此消耗)电池电源时确定在电池中的剩余的电压，且在预定条件下停止从薄电池薄膜微电池单元360的电流汲取。用于激活电池低压截止的预定条件的实例包含当电池电位在预定阈值(“截止阈值”)之下时，所述预定阈值例如3V。在实施例中，截止阈值选自在2.5和3.5V之间的值，或在另一个实施例中截止阈值选自在从2.8到3.2V之间的值。截止阈值可以是任何值，例如2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4或3.5V。微电池单元的电压可以使用所属领域的技术人员现将明白的常规电压测量技术来测量，例如通过使用A/D转换器或D/A转换器以及比较器，或使用其它适当的***。在实施例中，电池的电位使用边缘检测逻辑来测量。在另一实施例中，在检测到电池上存在过多的负载的情况下，电池切断逻辑构件310经激活以从装置切断电池，例如通过(例如)松弛的螺钉或过热的零件进行的瞬时短路。
如图3中所指出，电池切断逻辑构件310任选地利用在亚阈值电压水平处操作的逻辑电路来执行电池电压采样操作和此构件的切断功能性。出于本发明的目的，“亚阈值电压”是在用于晶体管的操作的阈值电位之下的电位。在亚阈值电压水平处的逻辑电路的操作允许电路在纳安或皮安电流水平处操作，而非不必要地从微电池汲取较大量的电流。在本发明的实施例中，电池切断逻辑构件310包括开关电容DC-DC下转换器阵列，其用于将正被电池切断逻辑构件310的内部电路使用的电压电位降低到从约10到约700毫伏的水平。在本发明的实施例中，电池切断逻辑构件310包括开关电容DC-DC下转换器阵列，其用于将正被电池切断逻辑构件310的内部电路使用的电压电位降低到从约100到约500毫伏的水平。在本发明的实施例中，电池切断逻辑构件310包括开关电容DC-DC下转换器阵列，其用于将正被电池切断逻辑构件310的内部电路使用的电压电位降低到从约300到约400毫伏的水平。
当恢复外部电源时，重新启动充电控制器20(如图1中所示)和电池切断逻辑构件310。
在实施例中，开关电容DC-DC下转换器构件340有利地使用电容器切换元件将待输送以操作***外部的装置的电压从较高电压转换到较低电压，而非使用通过产热电阻构件降低电压的线性低压差***。通过使用开关电容***，能量以更有效的方式得到转换，所有的构件都可以集成在单一集成电路上，且整个***更加稳固，因为灵敏的电子构件不暴露于由低效的电压转换***产生的热量下。另外，由于在低压处操作时的优良性能，在开关电容DC-DC下转换器构件下游的装置是更加可靠的且工作更长的时间(更大的预期寿命)。在优选实施例中，所述***包括电压降低构件，所述构件不包括线性调节器。
在实施例中，用于输送***外部的电压的开关电容DC-DC下转换器构件以从2:1到5:1的整数比降低电压电位，且所述整数比例如2:1、3:1、3:2、4:1或5:1等整数比。在实施例中，用于输送***外部的电压的开关电容DC-DC下转换器构件将电压电位降低到从约0.3V到约3.3V。通过***输送到外部负载的电压的下变频以此方式大大延伸电池的寿命，从而使具有例如5μAh的容量的电池像使用常规控制技术的具有10或15μAh的容量的电池一样执行操作。
在实施例中，***具有开关电容DC-DC下转换器构件，其用于输送在从约10到约700毫伏的水平处的外部电压电位。在另一实施例中，***具有开关电容DC-DC下转换器构件，其用于输送在从约100到约500毫伏的水平处的外部电压电位。在另一实施例中，***具有开关电容DC-DC下转换器构件，其用于输送在从约300到约400毫伏的水平处的外部电压电位。
电压降低的值可以通过电容器比和布置的选择来设定，或可以任选地还可通过输出电压选择器接口350选择。
在实施例中，开关电容DC-DC下转换器构件340任选地利用在亚阈值电压水平处操作的逻辑电路来执行与此构件相关联的内部下转换器控制功能性。在此实施例中，开关电容DC-DC下转换器构件340包括两个下转换器阵列，第一个用于如上文所论述对将输送到外部负载的电压向下变频，且第二个用于在亚阈值逻辑水平处对将输送到内部操作电路的电压向下变频。在一个实施例中，第二开关电容DC-DC下转换器阵列将正被开关电容DC-DC下转换器构件340的内部电路使用的电压电位降低到从约10到约700毫伏的水平。在本发明的实施例中，开关电容DC-DC下转换器构件340包括开关电容DC-DC下转换器阵列，其用于将正被开关电容DC-DC下转换器构件340的内部电路使用的电压电位降低到从约100到约500毫伏的水平。在本发明的实施例中，开关电容DC-DC下转换器构件340包括开关电容DC-DC下转换器阵列，其用于将正被开关电容DC-DC下转换器构件340的内部电路使用的电压电位降低到从约300到约400毫伏的水平。
在本发明的实施例中，电池切断逻辑构件310包括用于将泄漏电流限制到不超出约30皮安的值的电路配置。在实施例中，用于限制泄漏电流的电路配置包括至少两个串接的晶体管，所述晶体管提供在薄膜微电池单元360与电池切断逻辑构件310之间的选择性地启用的电连接。此类用于限制泄漏电流的电路配置另外在2012年7月24日发表的第8,228,023号美国专利案中得到描述，所述专利案的内容以引用的方式并入本文中。
低容量薄膜微电池单元在于较长时间段上提供功率这方面存在特定的挑战。在本发明的实施例中，充电控制和输出控制***优选地经配置以最小化通过静态消耗(即仅通过在外部电源断开时使用内部电路监视***而导致的在电池上的消耗)导致的功率损耗和功率泄漏。在一个实施例中，用于在***从外部电源断开时监视用于操作的充电控制和输出控制的***的所有内部电路都是亚阈值逻辑电路。在另一实施例中，用于在***从外部电源断开时监视用于操作的充电控制和输出控制的***的所有内部电路经配置以将泄漏电流限制到不超出约30皮安、且更优选地不超出约10皮安的值。在另一实施例中，用于在***从外部电源断开时监视用于操作的充电控制和输出控制的***的所有内部电路是亚阈值逻辑电路，且另外经配置以将泄漏电流限制到不超出约30皮安、且更优选地不超出约10皮安的值。
图4示出了模式控制逻辑构件400，其经由充电泵使能线410可操作地耦合到充电控制逻辑构件且通过输出使能线420可操作地耦合到电池切断逻辑构件，以使得充电控制逻辑构件和电池切断逻辑构件能够在预定条件下操作。电压比较器430比较经由VIN将进入到控制***中的电压以判定功率是否供应自外部源。如果外部源没有提供功率，那么模式控制逻辑400通过断开充电泵使能线410将***转换到低功率模式，由此断开电池充电功能。返回参考图2，值得注意的是，在本发明的实施例中，温度控制器参考230和温控电流吸收器240不通过关闭充电泵使能线410来关闭，因为在电池温度增加到其中电池电位对于在环境条件下优选的性能特性过高的水平的情况下，可能仍必需从电池移除电流，即使不在充电模式中。模式控制逻辑400还经由复位425发送信号以提供电池不在充电的外部指示。当如图6中示出以两端配置提供***时，模式控制逻辑400还经由输出使能线420向开关电容DC-DC下转换器提供信号以在可获得输入功率时停用DC-DC下转换器。
模式控制逻辑400还可以具有使用输出电压选择接口450选择输出电压的能力。在输出电压选择接口450处对输出电压的选择(或者通过使用者或者通过自动***的操作进行)将影响用于响应于在两端模式(如在图6中论述)中的VIN电位而打开或关闭用于DC-DC下转换器的操作的输出使能线420的阈值水平。
图5示出了三端装置，其中包含薄膜微电池单元525的***510在1处连接到电压输入、在2处连接到地面且在3处连接到至负载的电压输出。如图所示，控制***510包括充电控制逻辑构件520，其经配置以控制薄膜微电池单元525的充电水平。充电控制逻辑520根据预定值或通过由外部接口设定的值来测量和控制将施加到薄膜微电池单元525的输入电压。操作电池切断逻辑构件530以在预定条件下停止在薄电池薄膜微电池单元525上的电流消耗。模式控制逻辑构件540可操作地耦合到充电控制逻辑构件520和电池切断逻辑构件530，以使得充电控制逻辑构件和电池切断逻辑构件能够在预定条件下操作。模式控制逻辑构件540判定外部电源是否已经断开使得装置在电池电源上操作、电池是否需要充电、以及是否应该切断电池作为装置的电源以出于任何原因保护电池。在恢复外部电源后，模式控制逻辑构件540经由充电泵使能器信号线542重新开始电池充电操作。任选地，模式控制逻辑构件540具有复位线546，所述复位线向外部构件提供信号以告知***在充电模式中且未用掉备用电池电源。开关电容DC-DC下转换器构件535经配置以至少2:1的因数降低电池输出电压电位且将功率输送到装置560。输出电压可以预设、或可以任选地使用外部接口550选定。三端***510优选地用于其中所希望的特征中的一者是输送到负载的电压在线降低的应用中。应理解，前文是对***510的配置的概述，且结合图2到4所描述的各种构件的细节和任选方面可以个别地或以组合方式并入***510的设计中。
在本发明的实施例中，薄膜微电池单元525提供为物理上与***的控制构件分开(即在单独的物理平台上)的构件，所述***的控制构件可以稍后被组装且电连接到充电和输入控制构件，如本文中所描述。在本发明的另一个实施例中，薄膜微电池单元525提供为与***的控制构件物理且电连接(即，在单一物理平台上)的构件，所述***的控制构件可以供应给装置制造商作为一体式组件且通过装置制造商以***式并入到所述装置中。
图6示出了两端装置，其中控制***610经配置以向装置660提供辅助功率，而不是成为在电源601与装置660之间的中间链路。***610在连接1处连接到外部电源，且在地面2处接地。
***610包括充电控制逻辑构件620，其经配置以控制薄膜微电池单元525的充电水平。充电控制逻辑620根据预定值或通过由外部接口设定的值来测量和控制将施加到薄膜微电池单元625的输入电压。操作电池切断逻辑构件630以在预定条件下停止在薄电池薄膜微电池单元625上的电流消耗。模式控制逻辑构件640可操作地耦合到充电控制逻辑构件620和电池切断逻辑构件630，以使得充电控制逻辑构件和电池切断逻辑构件能够在预定条件下操作。模式控制逻辑构件640判定外部电源是否已经断开使得装置在电池电源上操作、电池是否需要充电、以及是否应该切断电池作为装置的电源以出于任何原因保护电池。在恢复外部电源后，模式控制逻辑构件640经由充电泵使能器信号线642重新开始电池充电操作。任选地，模式控制逻辑构件640具有复位线646，所述复位线向外部构件提供信号以告知***在充电模式中且未用掉备用电池电源。开关电容DC-DC下转换器构件635经配置以至少2:1的因数降低电池输出电压电位且将功率输送到装置660。输出电压可以预设、或可以任选地使用外部接口650选定。应理解，前文是对***610的配置的概述，且结合图2到4所描述的各种构件的细节和任选方面可以个别地或以组合方式并入***610的设计中。
因为控制***610是两端装置，所以***可以与电容器或电池相同的方式容易地***到电路阵列中。有利地，***结合薄膜微电池单元625提供现成的装置，所述装置可以被***而不必担心设计由装置制造商开发的产品的其余部分的构件以方便地满足其备用电源需要。
在操作中，来自外部电源670的功率直接提供到装置660。尽管外部电源是可获得的，但还向充电控制器620提供能量以用于通过模式控制逻辑的操作(包含任选地提供外部充电端信号)按需要给电池充电，如上文所论述。
当失去外部电源时，从模式控制逻辑640向充电控制器620提供信号，因此薄膜微电池单元625未充电。输出使能线644经激活以操作DC-DC下转换器635，所述下转换器向装置660提供功率。阻塞二极管665或类似的防漏构件可操作地连接到***610以防止电流的泄漏。在本发明的实施例中，阻塞二极管665或类似的防漏构件任选地位于与装置660相邻处或位于所述装置中。从薄膜微电池单元625向装置660提供功率，直到恢复外部电源，或微电池放电至预定阈值水平之下或经受过多的负载。
在如图6中示出的实施例中，外部DC-DC下转换器不在外部电源610与装置660中间。如图所示，所述装置在外部电源是可获得的时具有外部电源610的全电压，且当所述装置在电池电源上操作时仅接收降低的电压功率。
在本发明的实施例中，薄膜微电池单元625提供为物理上与两端***的控制构件分开(即，在单独的物理平台上)的构件，所述两端***的控制构件可以稍后被组装且电连接到充电和输入控制构件，如本文中所描述。在本发明的另一个实施例中，薄膜微电池单元625提供为与两端***的控制构件物理且电连接(即，在单一物理平台上)的构件，所述两端***的控制构件可以供应给装置制造商作为一体式组件且通过装置制造商***式并入到所述装置中。
在实施例中，本***与一或多个下游装置相连接，所述下游装置经配置以在从约0.3V到约3.3V的电压下操作，且所述***具有开关电容DC-DC下转换器构件，所述构件用于输送在从约0.3V到约3.3V的水平处的外部电压电位。
在另一实施例中，本***与一或多个下游装置相连接，所述下游装置经配置以在亚阈值电压(即在用于晶体管的操作的阈值电位之下)下操作，且所述***具有开关电容DC-DC下转换器构件，所述构件用于输送在亚阈值水平处的外部电压电位。
已经发现，在标准4到4.1V之下的电压下操作的装置在与可再充电的薄膜微电池组合使用时是特别有利的，因为在低压下操作的电子构件暴露于较少的物理挑战下，且所述电子构件往往会具有比在较高电压下操作的相同的构件更长的寿命。优选地，所述装置包括功能性，例如低功率RTC、睡眠定时器和/或能量采集功率转换电路。
用于本***中的可再充电薄膜微电池单元可以所属领域的技术人员现将了解的多种方式配置且使用不同材料来制造，。在实施例中，微电池单元提供在充满电状态中，或在“预充电”状态中。在预充电状态中的微电池单元的实例是微电池单元构件的组件，所述组件不含金属锂阳极的可用量，但在经充分充电时包含可用的金属锂阳极。因此，本发明的薄膜微电池可以是构件的组件，所述组件从未充电，或已经部分充电，但未经充分充电以包含具有足以起作用而充当实际的微电池(即足以在ASIC等构件所预期的操作周期上给所述构件供电)的量的金属锂。
薄膜微电池单元在充满电时包括阴极集电器、阴极、电解质以及阳极和阳极集电器。微电池单元通常在衬底上制造。在本发明的优选实施例中，薄膜微电池单元初始地构造为不具有阳极，但具有可以充当锂离子的源的阴极层。在此薄膜微电池单元实施例的充电后，金属锂电镀在电解质和阳极集电器之间以形成阳极。替代地，阳极可以通过将阳极材料嵌入在易于接纳以用于成形的层和阳极层之中形成。例如，阴极层可以是LiCoO2等材料，其可以充当锂离子的源。同样地，薄膜微电池单元可以初始地构造为不具有阴极层，所述阴极层随后在充电期间形成。在第5,314,765号、第5,338,625号、第5,445,906号、第5,512,147号、第5,561,004号、第5,567,210号、第5,569,520号、第5,597,660号、第5,612,152号、第5,654,084号、第5,705,293号、第6,906,436号、第6,986,965号、第7,931,989号、第7,776,478号和第7,939,205号美国专利案以及第2009/0214899号和第2007/0012244号美国公开案中描述了薄膜电池的实例，所述专利案和公开案中的每一者出于各种目的以引用的方式并入本文中，所述目的特别地关于微电池单元构件的构造方法和材料选择以及包括薄膜电池的装置的实施例。
除非另外指明，否则本文中所使用所有百分比和比率都是重量百分比和比率。本文中所引用的所有专利案、专利申请案(包含临时申请案)和公开案都以引用的方式并入，如同出于各种目的个别地并入一样。意图通过此文件描述的本发明的许多特性和优点已经在前述描述中阐述。然而，应理解，尽管已经说明了本发明的实施例或特定形式，但在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改，包含对形状和零件的布置等的修改。

Claims (18)

1.一种用于可再充电薄膜微电池单元的充电和输出控制的控制***，其包括
充电控制逻辑构件，其经配置以控制薄膜微电池单元的充电水平，所述充电控制逻辑构件包括充电泵，测量所述***的环境温度的温度控制器参考以及温控分流调节器，其中所述充电控制逻辑构件经编程以在所述***的所述环境温度超出预定值时通过所述温控分流调节器的操作降低所述薄膜微电池单元的电压；
电池切断逻辑构件，其用于在预定条件下停止在所述薄膜微电池单元上的电流汲取，
模式控制逻辑构件，其可操作地耦合到所述充电控制逻辑构件和所述电池切断逻辑构件，以使得所述充电控制逻辑构件和所述电池切断逻辑构件能够在预定条件下操作，以及
用于输送所述***外部的电压的开关电容DC-DC下转换器构件，其经配置以至少2:1的因数降低所述薄膜微电池单元输出电压电位。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述充电泵包括开关电容DC-DC升压转换器。
3.根据权利要求2所述的***，其中所述环境温度的所述预定值是23℃，且根据超过23度每℃2到2.5mV的算法降低所述薄膜微电池单元的所述电压。
4.根据权利要求1所述的***，其中当所述薄膜微电池单元电压降低到在预定最小值处或在其之下的值时，所述电池切断逻辑构件操作以将所述薄膜微电池单元从负载断开。
5.根据权利要求4所述的***，其中所述预定最小值是选自2.8到3.2伏的值。
6.根据权利要求1所述的***，其中所述电池切断逻辑构件包括
开关电容DC-DC下转换器阵列，其用于将正被所述电池切断逻辑构件的内部电路使用的所述电压电位降低到从10到700毫伏的水平。
7.根据权利要求1所述的***，其中用于输送所述***外部的电压的所述开关电容DC-DC下转换器构件以从2:1到5:1的整数比降低所述电压电位。
8.根据权利要求1所述的***，其中用于输送所述***外部的电压的所述开关电容DC-DC下转换器构件将所述电压电位降低到从0.3V到3.3V。
9.根据权利要求1所述的***，其中用于输送所述***外部的电压的所述开关电容DC-DC下转换器构件将所述电压电位降低到从100到500毫伏。
10.根据权利要求1所述的***，其中所述开关电容DC-DC下转换器构件包括第二开关电容DC-DC下转换器阵列，其用于将正被所述电池切断逻辑构件的内部电路使用的所述电压电位降低到从10到700毫伏的水平。
11.根据权利要求1所述的***，其中所述电池切断逻辑构件包括用于将泄漏电流限制到不超出30皮安的值的电路配置。
12.根据权利要求1所述的***，其中所述***不包括线性调节器。
13.根据权利要求1所述的***，其中所述***的所述充电控制逻辑构件、所述电池切断逻辑构件、所述模式控制逻辑构件和所述开关电容DC-DC下转换器构件位于单一集成电路上。
14.根据权利要求13所述的***，其中所述***可操作地连接到具有不超过500μAH的有效容量的可再充电薄膜微电池单元。
15.根据权利要求14所述的***，其中所述***和所述可再充电薄膜微电池单元被配置为将连接到供电电子装置的两端连接构件。
16.一种包括根据权利要求15所述的***的供电电子装置。
17.根据权利要求14所述的***，其中所述***和所述可再充电薄膜微电池单元被配置为将连接到供电电子装置的三端连接构件。
18.一种包括根据权利要求17所述的***的供电电子装置。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140055085A1 (en) * 2012-02-23 2014-02-27 Cymbet Corporation Thin film battery charge control and method
CN104076893A (zh) * 2013-03-27 2014-10-01 鸿富锦精密电子(天津)有限公司 电脑及其充电电路
CN104076894A (zh) * 2013-03-28 2014-10-01 鸿富锦精密电子(天津)有限公司 电脑及其充电电路
CN104079020B (zh) * 2013-03-29 2016-12-21 青岛玉兰祥商务服务有限公司 电脑及其充电电路
JP2019511789A (ja) * 2016-03-30 2019-04-25 シンベット・コーポレイションＣｙｍｂｅｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ 電力管理機能を備えたリアルタイムクロック集積回路
EP3739716A1 (en) 2019-05-14 2020-11-18 Schneider Electric Industries SAS Improving battery life time based on sensor data

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101084448A (zh) * 2004-12-22 2007-12-05 英特尔公司 电池包泄露的切断
CN101467341A (zh) * 2006-06-07 2009-06-24 Nxp股份有限公司 具有固态电池的电荷泵dc-dc转换器
CN101647181A (zh) * 2006-12-30 2010-02-10 先进模拟科技公司 包括降压电感式开关前置调节器和电容式开关后置转换器的高效dc/dc电压转换器

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2427729A (en) * 1945-03-23 1947-09-23 Westinghouse Electric Corp Battery charging system
US3505590A (en) * 1967-09-07 1970-04-07 Motorola Inc Temperature responsive output voltage apparatus
US4868908A (en) 1988-10-18 1989-09-19 Ventritex Power supply down-conversion, regulation and low battery detection system
US5338625A (en) 1992-07-29 1994-08-16 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Thin film battery and method for making same
US5314765A (en) 1993-10-14 1994-05-24 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Protective lithium ion conducting ceramic coating for lithium metal anodes and associate method
US5569520A (en) 1994-01-12 1996-10-29 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Rechargeable lithium battery for use in applications requiring a low to high power output
US5561004A (en) 1994-02-25 1996-10-01 Bates; John B. Packaging material for thin film lithium batteries
US5654084A (en) 1994-07-22 1997-08-05 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Protective coatings for sensitive materials
US5445906A (en) 1994-08-03 1995-08-29 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Method and system for constructing a rechargeable battery and battery structures formed with the method
US5705293A (en) 1997-01-09 1998-01-06 Lockheed Martin Energy Research Corporation Solid state thin film battery having a high temperature lithium alloy anode
US6765363B2 (en) * 1998-03-10 2004-07-20 U.S. Microbattery, Inc. Micro power supply with integrated charging capability
US6197450B1 (en) 1998-10-22 2001-03-06 Ramot University Authority For Applied Research & Industrial Development Ltd. Micro electrochemical energy storage cells
WO2001073868A2 (en) 2000-03-24 2001-10-04 Cymbet Corporation Device enclosures and devices with integrated battery
DE10064819A1 (de) 2000-12-22 2002-07-18 Koninkl Philips Electronics Nv Adaptive Phasensteuerung für Ladungspumpen
US6906436B2 (en) 2003-01-02 2005-06-14 Cymbet Corporation Solid state activity-activated battery device and method
WO2005036711A2 (en) 2003-10-14 2005-04-21 Tel Aviv University Future Technology Development L.P. Three-dimensional thin-film microbattery
JP2006020412A (ja) * 2004-07-01 2006-01-19 Fumio Ueno スイッチトキャパシタ電源回路およびそのスイッチ駆動回路
US20070012244A1 (en) 2005-07-15 2007-01-18 Cymbet Corporation Apparatus and method for making thin-film batteries with soft and hard electrolyte layers
US7776478B2 (en) 2005-07-15 2010-08-17 Cymbet Corporation Thin-film batteries with polymer and LiPON electrolyte layers and method
US7931989B2 (en) 2005-07-15 2011-04-26 Cymbet Corporation Thin-film batteries with soft and hard electrolyte layers and method
JP4455461B2 (ja) * 2005-09-12 2010-04-21 株式会社東芝 蓄電システム
US7692411B2 (en) * 2006-01-05 2010-04-06 Tpl, Inc. System for energy harvesting and/or generation, storage, and delivery
US20100060231A1 (en) * 2006-01-05 2010-03-11 Tpl, Inc. Method and Apparatus for Energy Harvesting and/or Generation, Storage, and Delivery
US7786712B2 (en) * 2006-12-30 2010-08-31 Advanced Analogic Technologies, Inc. High-efficiency DC/DC voltage converter including up inductive switching pre-regulator and capacitive switching post-converter
CN101657916A (zh) 2007-02-09 2010-02-24 西姆贝特公司 充电***和方法
US8420252B2 (en) 2008-02-27 2013-04-16 Cymbet Corporation Battery layout incorporating full metal edge seal
CN101983469B (zh) * 2008-04-02 2014-06-04 无穷动力解决方案股份有限公司 与能量采集关联的储能装置的无源过电压/欠电压控制和保护
US7923865B2 (en) * 2008-06-27 2011-04-12 Medtronic, Inc. Multi-mode switched capacitor dc-dc voltage converter
CN102308453A (zh) * 2009-12-16 2012-01-04 松下电器产业株式会社 电池组、放电***、充放电***及锂离子二次电池的放电控制方法
TWI394349B (zh) * 2010-02-05 2013-04-21 Univ Nat Chiao Tung 太陽能集電電源管理系統
US20110279096A1 (en) * 2010-05-17 2011-11-17 Sonntag Jeffrey L Method and apparatus for powering a high current system from a resistive electrical storage device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101084448A (zh) * 2004-12-22 2007-12-05 英特尔公司 电池包泄露的切断
CN101467341A (zh) * 2006-06-07 2009-06-24 Nxp股份有限公司 具有固态电池的电荷泵dc-dc转换器
CN101647181A (zh) * 2006-12-30 2010-02-10 先进模拟科技公司 包括降压电感式开关前置调节器和电容式开关后置转换器的高效dc/dc电压转换器

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