Wie SMD-Akkumulatoren IoT-Anwendungen mit Strom versorgen

Batterien und Akkumulatoren in SMD-Technologie kommen in verschiedenen Technologien zum Einsatz und sind mit unterschiedlichen Kapazitäten aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Das IoT mit all seinen Facetten wird künftig milliardenfach spezielle Stromversorgungen benötigen, die auf den geringen Leistungsbedarf neuer Ultra-Low-Power-Halbleiter und Sensoren zugeschnitten sind. Diese Geräte müssen mittels Energy-Harvesting-Technologien über Jahre hinweg unabhängig von externen Stromversorgungen funktionieren.

Bild 1: Schnittbild durch den Ceracharge: Statt eines flüssigen Elektrolyten kommt ein keramischer Festkörper-Elektrolyt zum Einsatz. TDK Electronics

Die Anforderungen an elektrische Speichermedien sind:

• geringe Baugröße
• Wiederaufladbarkeit
• Eigensicherheit
• einfache Bestückbarkeit
• geringe Kosten
• lange Lebensdauer

Mit den gängigen Technologien lassen sich diese Forderungen nicht alle gleichzeitig realisieren. Für einige dieser Applikationen bietet jetzt der Ceracharge einen Ausweg aus diesem Dilemma. Denn hierbei handelt es sich um einen Solid-State-Akkumulator ohne flüssige Elektrolyte, durch die Lithium-Ionen bei der Ladung oder Entladung wandern. Stattdessen basiert die Lösung auf einer Vielschicht-Technologie, ähnlich wie Keramik-Kondensatoren (Bild 1).

Bild 2: Typische Entlade-Charakteristik des Ceracharge. TDK Electronics

Diese Technologie kombiniert eine relativ hohe Energiedichte auf kleinstem Raum mit der Prozesssicherheit bei der Herstellung von Vielschichtbauelementen. Zudem ist durch die Verwendung eines keramischen Festkörpers als Elektrolyt die Gefahr von Brand, Explosion oder des Auslaufens von Elektrolytflüssigkeit ausgeschlossen.

Einfache Prozesse dank SMD-Ausführung

Ceracharge ist der weltweit erste Akkumulator in SMD-Ausführung. Daraus ergeben sich weitere Vorteile wie einfache Bestückbarkeit und der Einsatz üblicher Reflow-Lötprozesse, was wiederum die Produktionskosten des Endgeräts senkt. Verfügbar ist die Komponente zunächst in der Baugröße EIA 1812 (4,5 × 3,2 × 1,1 mm³). Dabei bietet er eine Kapazität von 100 µAh bei einer Nennspannung von 1,4 V und einem Anfangsinnenwiderstand von < 200 Ω. Tabelle 1 zeigt die wichtigsten technischen Daten.

Bild 3: Typische Temperatur-Charakteristik. TDK Electronics

Die typische Entlade-Charakteristik ist in Bild 2 dargestellt. Der Nenn-Entladestrom beträgt 20 µA, wobei die Technologie eine Dauerentladung von 1 mA unterstützt.

Verglichen mit konventionellen Akkumulatoren oder Batterien bietet Ceracharge einen sehr großen Temperaturbereich von -20 °C bis +80 °C. Damit eignet er sich zum Beispiel auch für Einsätze im Außenbereich wie etwa in Wetterstationen. Die typische Temperatur-Charakteristik bei einem konstanten Entladestrom von 20 µA ist in Bild 3 dargestellt.

Je nach Anforderung bewältigt der Akkumulator ohne große Einbußen bei den elektrischen Parametern etliche Dutzend bis 1000 Lade-/Entladezyklen. Bild 4 zeigt die typische Zyklus-Charakteristik beim Laden mit einer konstanten Spannung von 1,6 V für 3 h und beim Entladen mit einem konstanten Strom von 20 µA.

Bild 4: Typische Zyklus-Charakteristik des SMD-Akkus. TDK Electronics

Kurzfristig kann der Ceracharge etwa bei einem gepulsten Betrieb, wie zum Beispiel zur Versorgung eines Bluetooth-Moduls beim Senden, auch Ströme in einer Größenordnung von etwa 3 mA/s liefern.

Potenzielle Einsatzmöglichkeiten für den Solid-State-Akkumulator Ceracharge finden Sie auf der folgenden Seite.

Breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten für SMD-Akkumulatoren

Bild 5: Ceracharge kann die Knopfzelle ersetzen, die für gewöhnlich als Backup-Batterie in einer Real-Time Clock (RTC) zum Einsatz kommt. TDK Electronics

Zur Erhöhung der Kapazität und der Spannung können Entwickler einzelne Chips beliebig in Serie und parallel schalten. Dadurch eröffnet sich der Technologie ein sehr breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten beispielsweise als Backup-Batterie für eine Real-Time Clock (RTC) oder zur Energiebereitstellung für Bluetooth-Beacons zum Senden.

In RTC-Modulen kommen zumeist Primärzellen (Knopfzellen) als Batterien zum Einsatz. Diese konventionelle Lösung hat jedoch den großen Nachteil, dass der Anwender die Batterie wechseln muss. Da eine RTC einen VSB-Anschluss enthält, lässt sich dieses Problem beheben, indem der Anwender die Primärzelle im RTC-Modul gegen einen Akku austauscht (Bild 5). Für gewöhnlich muss die RTC weniger als eine Stunde hintereinander von der Backup-Batterie mit Strom versorgt werden. Ein Ceracharge-Chip kann die RTC-Funktion ohne Wiederaufladen für die Dauer von ein bis zwei Wochen gewährleisten.

Solarbetriebene Beacons mit Ceracharge

Bild 6: Der Solid-State-Akkumulator lässt sich als sekundäre Spannungsquelle sowie als Energiespeicher nutzen, um den Kondensator als primäre Spannungsquelle für das BLE-Modul zu laden. TDK Electronics

Voraussetzung für das Internet der Dinge (IoT) ist die Möglichkeit, alle Arten von Geräten mit dem Internet zu verbinden. Zurzeit entwickelt sich die solarbetriebene Bluetooth-Low-Energy-Beacon-Technologie (BLE-Beacon) als die Connectivity-Lösung der Wahl, da sie nur geringe Platzanforderungen stellt und zudem wenig Energie verbraucht. Bild 6 zeigt ein Ansteuerungsmodell für einen solarbetriebenen BLE-Beacon. In diesem Schaltungsaufbau lädt die Solarzelle zuerst einen MLCC- oder EDLC-Kondensator auf, der die Primärversorgung des BLE-Moduls sicherstellt. Hier dient Ceracharge als Energiespeicher, um den Kondensator zu laden, wenn die Solarzelle nicht aktiv ist. Er wird mit der überschüssigen Energie geladen, die zur Verfügung steht, wenn der Kondensator vollgeladen ist, und entlädt sich in den Kondensator, wenn dieser entladen ist. Damit ist ein unterbrechungsfreier Dauerbetrieb des solarbetriebenen Beacons gewährleistet. Die Anzahl der parallel geschalteten Ceracharge-Chips ist von der maximalen Spannung abhängig, mit der das BLE-Modul ohne Solarzelle versorgt werden muss.

Neben der momentan verfügbaren SMD-Variante in der Baugröße EIA 1812 wird TDK künftig auch Ceracharge-Typen in anderen Baugrößen, wie zum Beispiel EIA 0603, und Kapazitäten entwickeln, um ein noch breiteres Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten abzudecken. Beispiele hierfür sind Energiespeicher für Energy Harvesting, häufig in Verbindung mit Kondensatoren, oder als Hilfsbatterie in Wearables zum Glätten von Strom- und Spannungspegeln bei temporären Spitzenbelastungen.

(prm)