CN110336460B - 一种能源芯片及其封装制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能源芯片及其封装制备方法与应用，所述能源芯片包括能量单元阵列模块、数字开关阵列模块、连接电路以及控制模块；所述能量单元阵列模块与所述数字开关阵列模块通过所述连接电路电连接，所述控制模块与所述数字开关阵列模块通过所述连接电路电连接，所述控制模块控制所述数字开关阵列模块以调整所述能量单元阵列模块的输出电压与电流，通过采用所述微纳储能器件组成的能量单元阵列供电，可以获得较高的能量密度与功率密度，并且所述控制模块可根据实际使用场景的需求，通过所述数字开关阵列模块对所述能量单元阵列模块的数字化控制，以及调节连接电路的连接方式，从而调节输出的电流与电压，以实现既定输出和智能输出。

Description

一种能源芯片及其封装制备方法与应用
【技术领域】
本发明属于电能源技术领域，特别涉及一种片上电能源技术，具体为一种能源芯片及其封装制备方法与应用。
【背景技术】
随着5G移动通讯、物联网以及消费类电子产品等领域对电力需求日益提升，电能源技术正日益得到重视。其中，由锂离子电池与超级电容器等储能元件组成的电源，凭借较高的能量密度或功率密度，较高的充放电次数，较高的倍率特性等优势，在众多领域中得到应用。
如专利号为(201610665020.X)所述的超级电容器，利用二氧化碳作为介质气体，具有较高的使用寿命与安全性。但其能量密度较低，单个电容器输出电压不超过3V，且电源输出不可调节。
如专利号为(201480044295.0)所述的超级电容器模块，利用螺母固定串联多个超级电容器，可实现较高电压输出，且具有较高的安全性。但其能量密度较低，且电源输出不可调节。
如专利号为(201780027157.5)所述的智能电源，其电源控制部分与传输电路部分体积较大，进一步降低了其电源能量密度，也不可用于片上系统等领域。
如专利号为(201280064609.4)所述的智能电源，虽然可集成在通信装置上，但其输出功率较小，无法满足其他应用领域的需求。
综上所述，薄膜电池器件、电容器件是片上能源系统的重要技术，现有的电源技术，功率密度与能量密度难以兼顾，也难以与信息系统进行智能交互与数字化有效管控，通用部署灵活性较差，不可与微系统集成等缺点，限制了其应用范围。
【发明内容】
为解决现有现有技术中存在的问题，本发明提供了一种能源芯片及其封装制备方法与应用。
本发明为解决上述技术问题，提供如下的技术方案：一种能源芯片及其封装制备方法与应用，所述能源芯片包括能量单元阵列模块、数字开关阵列模块、连接电路以及控制模块；所述能量单元阵列模块与所述数字开关阵列模块通过所述连接电路电连接，所述控制模块与所述数字开关阵列模块通过所述连接电路电连接，所述控制模块控制所述数字开关阵列模块，进而调整所述能量单元阵列模块，以实现能量单元阵列模块输出的电压与电流可调。
优选地，所述控制模块的控制方式包括手动输入控制和智能控制，其中所述手动输入控制为通过通过外部软件更改、配置控制所述数字开关阵列模块，所述智能控制为通过负载反馈请求自动调节方式控制所述数字开关阵列模块。
优选地，所述能量单元阵列模块的基本组成单位为单个能量单元，所述控制模块控制所述数字开关阵列模块对不同的所述能量单元进行串并联，实现调整所述能量单元阵列模块的输出电压与电流。
优选地，所述能量单元可为薄膜锂电池、薄膜超级电容器、物理电容中任一种。
优选地，所述数字开关阵列模块的基本组成单位为单个数字开关，所述数字开关与所述能量单元一一对应，且单个所述数字开关与单个所述能量单元电连接，以使所述控制模块控制单个所述数字开关，以调整单个所述能量单元的输入与输出。
优选地，所述数字开关采用磁隧道结或薄膜晶体管组成的直流-直流开关电路中任一种方式构建。
优选地，所述数字开关内集成有能量单元状态记录模块，以记录能量单元的状态反馈至控制模块，其中，能量单元的状态包括充电状态、输出状态与空置状态。
优选地，所述能源芯片进一步包括能量控制模块，所述能量控制模块与所述数字开关阵列模块电连接，以通过所述能量控制模块对所述能量单元阵列模块进行充电或放电。
优选地，其包括以下制备步骤：
步骤S1，提供一PCB板或者硅片，并将至少两个所述能量单元安装于所述PCB板或者硅片上，以形成所述能量单元阵列模块；
步骤S2，在所述PCB板或者硅片上构建连接电路；
步骤S3，将至少两个所述数字开关通过所述连接电路所述能量单元电连接，以形成数字开关阵列模块；
步骤S4，将能量单元阵列模块通过所述数字开关与所述输入输出电路电连接；
步骤S5，将所述数字开关阵列模块与所述控制模块电连接；
步骤S6，对PCB板或者硅片进行封装，形成所述现场可编程能源芯片。
优选地，所述能源芯片可应用于小型电子产品领域，如手表、MP3、蓝牙耳机中任一种。
与现有技术相比，本发明的一种能源芯片及其封装制备方法与应用具有以下优点：
1.通过连接电路连接控制模块与数字开关阵列模块，控制模块控制数字开关阵列模块，以进一步能量单元阵列模块，从而实现能量单元阵列模块输出的电压与电流可调，可满足多种产品的需求，扩大了所述能源芯片的使用范围。
2.通过采用所述微纳储能器件组成的能量单元阵列供电，可以获得较高的能量密度与功率密度，并且所述控制模块可根据实际使用场景的需求，通过所述数字开关阵列模块对所述能量单元阵列模块的数字化控制，以及调节连接电路的连接方式，从而调节输出的电流与电压，以实现既定输出和智能输出。
3.通过所述数字开关调整所述能量单元的输出形态，当所述能量单元处于闲置状态时，其内部没有电流通过，可以有效的提高系统的能效。
4.通过所述数字开关与所述控制模块电连接，使得操作系统可以以数字化的方式灵活管控与使用所述能源芯片。
【附图说明】
图1是本发明一种能源芯片的模型示意图。
图2是本发明一种能源芯片中能量单元阵列模块与数字开关阵列模块的模型结构示意图。
图3是本发明一种能源芯片中能量单元与数字开关的模型结构示意图。
图4是本发明一种能源芯片的封装制备方法步骤流程示意图。
附图标识说明：
1、能源芯片；11、能量单元阵列模块；12、数字开关阵列模块；13、控制模块；14、能量控制模块；111、能量单元；121、数字开关；131、控制端口；141、输出端口；142、输入端口；1211、能量单元状态记录模块。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明提供一种能源芯片1，所述能源芯片1内部包括能量单元阵列模块11、数字开关阵列模块12、能量控制模块14以及控制模块13；
所述能量单元阵列模块11与所述数字开关阵列模块12电连接，所述控制模块13与所述数字开关阵列模块12电连接，即所述控制模块13可通过控制所述数字开关阵列模块12的状态，以进一步的控制所述能量单元阵列模块11的状态。
所述控制模块13可通过外部软件更改、配置所述可编程能源芯片的内部电路、数字开关阵列模块12状态以及能量单元阵列模块11状态，以输出设定电压和电流；
所述控制模块13还可通过负载反馈需求进行更改、配置所述可编程能源芯片的内部电路、数字开关阵列模块12状态以及能量单元阵列模块11状态，以智能输出所需的电压和电流。
请参阅图2，所述能量单元阵列模块11的基本组成单位为单个能量单元111，所述能量单元111可为薄膜锂电池、薄膜超级电容器、物理电容等微纳储能器件及其组合构成，此类微纳储能器件具有体积小、能量密度高等特点，是片上能源系统的重要组成部分。
所述数字开关阵列模块12的基本组成单位为单个数字开关121，在本发明中，所述数字开关121通过采用磁隧道结(Magnetic Tunnel Junctions,MTJ)或薄膜晶体管(Thin-Film Transistor，TFT)组成的直流-直流开关电路的方式构建，以实现数字开关121状态的快速转换。
所述控制模块13包括有多个控制端口131，所述控制模块13通过所述控制端口131与所述数字开关121电连接，且所述数字开关121还与所述能量单元111电连接，使得所述控制模块13可根据实际需求、负载反馈需求或者外部信号输入来控制所述数字开关121的开启或关闭，进而控制能量单元111与连接电路之间的连通或断开，也即正常工作时，所述控制模块13可控制所述数字开关121连通连接电路与能量单元111，以将不同数量的能量单元111通过连接电路串联和并联连接组成能量单元111阵列，以输出工作所需的电压与电流。
通过采用所述微纳储能器件组成的能量单元111阵列供电，可以获得较高的能量密度与功率密度，并且所述控制模块13可根据实际使用场景的需求，通过所述数字开关阵列模块12对所述能量单元阵列模块11的数字化控制，以及调节连接电路的连接方式，从而调节输出的电流与电压，进而实现既定输出和智能输出。
在一些应用场景中，通过能源芯片1对一额定电流为0.5A，额定电压为5v的手表进行既定输出时，首先，通过控制模块13输入所需的电压和电流，在通过数字开关阵列模块12控制不同数量的能量单元111进行串并联，以形成输出电压为5V，输出电流0.5A既定输出，然后，将手表与能源芯片1连接，即可使手表在能源芯片1的既定输出下正常工作。
在一些应用场景中，通过能源芯片1对一功率为2.5w，额定电压为5v的手表进行智能输出时，首先将手表与能源芯片1连接，控制模块13检测电路实际负载，并根据负载计算出所需的电流0.5A、电压5V，继而通过所述数字开关阵列模块12控制不同数量的能量单元111进行串并联，以形成输出电压为5V，输出电路为0.5A的智能输出。
所述能量控制模块14与所述数字开关阵列模块12电连接，进而实现与所述能量单元阵列模块11电连接，以实现对所述能量单元阵列模块11的充电与放电。
请参阅图3，所述能量控制模块14包括输入端口142与输出端口141，所述输入端口142、所述输出端口141均与所述数字开关121电连接，所述数字开关121还与所述控制端口131以及所述能量单元111电连接，也即通过所述数字开关121控制所述能量单元111的充电以及放电。
所述能量单元111包括充电、放电以及空置三种状态，由所述数字开关121切换所述能量单元111的状态，并且所述数字开关121内设置有能量单元状态记录模块1211，所述能量单元记录模块1211可通过连接电路中是否有电流通过以及连接电路中电流的流向来判断所述能量单元111的实时状态，并将所述能量单元111的实时状态反馈至所述控制模块13，使得所述控制模块13可根据各能量单元111所处的状态发出指令，以提高所述能源芯片1的工作效率。
在一些使用场景中，一部分能量单元111处于输出状态，一部分能量单元111处于充电状态，剩余的部分能量单元111则处于空置状态，能量单元状态记录模块1211会记录当下所有能量单元111的实时状态并反馈至控制模块13，当处于输出状态的部分能量单元111电压不足时，控制模块13优先控制处于空置状态的能量单元111与连接电路相连接，进而继续进行输出。
通过所述数字开关121调整所述能量单元111的输出状态，当所述能量单元111处于闲置状态时，所述能量单元与连接电路断开，其内部无电流通过，避免了不必要的电流与电压输出，减少了损耗，有效的提高能源芯片1的能效。
通过所述数字开关121与所述控制模块13电连接，使得外部操作系统可以以数字化的方式灵活管控与使用所述能源芯片1，也即在一些使用场景中，可通过控制模块13与电脑连接，通过电脑设定所需输出的电压与电流的数值，控制模块13根据输入的数据控制所述数字开关121的开启与关闭，控制不同数量的能量单元阵列模块11进行串并联，输出设定的电压与电流。
请参阅图4，本发明的第一实施例所提供的一种能源芯片1的制备方法，包括一下步骤：
步骤S1，提供一PCB板或者硅片，并将至少两个所述能量单元111安装于所述PCB板或者硅片上，以形成所述能量单元阵列模块11；
步骤S2，在所述PCB板或者硅片上构建连接电路；
步骤S3，将至少两个所述数字开关121通过所述连接电路所述能量单元11电连接，以形成数字开关阵列模块12；
步骤S4，将能量单元阵列模块11通过所述数字开关121与所述输入输出电路电连接；
步骤S5，将所述数字开关阵列模块11与所述控制模块13电连接；
步骤S6，对PCB板或者硅片进行封装，形成所述现场可编程能源芯片1。
其中，能量单元111包括薄膜超级电容、薄膜锂电池及物理电容中的一种或几种的组合，数字开关121采用磁隧道结或薄膜晶体管组成的直流-直流开关电路的方式构建；
当能量单元11为薄膜超级电容时，采用PCB板进行组装，数字开关121采用磁隧道结的方式构建，并以铜导线构建连接电路；
当能量单元11为薄膜超级电容时，采用硅片进行组装，数字开关121采用薄膜晶体管组成的直流-直流开关电路的方式构建，并以沉积铜导线构建连接电路；
当能量单元11为物理电容时，采用硅片进行组装，数字开关121采用磁隧道结的方式构建，并以铜导线构建连接电路；
在本实施例中，能量单元111的数量为10*10个安装于PCB板或硅片上，以宽范围稳定的输出所需的电压与电流，所述能量单元11的数量较多，输出更稳定，续航的时间更长。
本发明所采用的能量单元111具有体积小、能量密度高的特点，尤其适合小型电子类产品的运用，如智能手表，蓝牙耳机等。
与现有技术相比，本发明的能源芯片具有以下优点：
1.通过连接电路连接控制模块与数字开关阵列模块，控制模块控制数字开关阵列模块，以进一步能量单元阵列模块，从而实现能量单元阵列模块输出的电压与电流可调，可满足多种产品的需求，扩大了所述能源芯片的使用范围。
2.通过采用所述微纳储能器件组成的能量单元阵列供电，可以获得较高的能量密度与功率密度，并且所述控制模块可根据实际使用场景的需求，通过所述数字开关阵列模块对所述能量单元阵列模块的数字化控制，以及调节连接电路的连接方式，从而调节输出的电流与电压，以实现既定输出和智能输出。
3.通过所述数字开关调整所述能量单元的输出形态，当所述能量单元处于闲置状态时，其内部没有电流通过，可以有效的提高系统的能效。
4.通过所述数字开关与所述控制模块电连接，使得操作系统可以以数字化的方式灵活管控与使用所述能源芯片。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种能源芯片，其特征在于：所述能源芯片包括能量单元阵列模块、数字开关阵列模块以及控制模块；
所述能源芯片内设置有连接电路，所述能量单元阵列模块与所述数字开关阵列模块通过所述连接电路电连接，所述控制模块与所述数字开关阵列模块通过所述连接电路电连接，所述控制模块控制所述数字开关阵列模块，进而调整所述能量单元阵列模块，以实现能量单元阵列模块输出的电压与电流可调；
所述能量单元阵列模块的基本组成单位为单个能量单元，所述控制模块控制所述数字开关阵列模块对不同的所述单个能量单元进行串并联，实现调整所述能量单元阵列模块的输出电压与电流，所述单个能量单元可为薄膜锂电池、薄膜超级电容器、物理电容或三者之间组合的微纳储能器件中任一种；
所述数字开关阵列模块的基本组成单位为单个数字开关，所述单个数字开关与所述单个能量单元一一对应，且所述单个数字开关与所述单个能量单元电连接，以使所述控制模块控制所述单个数字开关，以调整所述单个能量单元的输入与输出；
所述单个能量单元包括充电、放电以及空置三种状态，由所述数字开关阵列模块切换所述单个能量单元的状态，并且所述数字开关阵列模块内设置有能量单元状态记录模块，所述能量单元状态记录模块可通过连接电路中是否有电流通过以及连接电路中电流的流向来判断所述能量单元的实时状态，并将所述单个能量单元的实时状态反馈至所述控制模块，使得所述控制模块可根据各所述单个能量单元所处的状态发出指令控制对应的单个能量单元进行工作；
所述控制模块的控制方式包括手动输入控制和智能控制，其中所述手动输入控制为通过外部软件更改、配置控制所述数字开关阵列模块，所述智能控制为通过负载反馈请求自动调节方式控制所述数字开关阵列模块。
2.如权利要求1所述的一种能源芯片，其特征在于：所述单个数字开关采用磁隧道结或薄膜晶体管组成的直流-直流开关电路中任一种方式构建。
3.如权利要求1所述的一种能源芯片，其特征在于：所述能源芯片进一步包括能量控制模块，所述能量控制模块与所述数字开关阵列模块电连接，以通过所述能量控制模块对所述能量单元阵列模块进行充电或放电。
4.一种能源芯片的封装制备方法，其特征在于：其包括以下制备步骤：
步骤S1，提供一PCB板或者硅片，并将至少两个能量单元安装于所述PCB板或者硅片上，以形成能量单元阵列模块；
步骤S2，在所述PCB板或者硅片上构建连接电路；
步骤S3，将至少两个数字开关通过所述连接电路将所述至少两个能量单元电连接，以形成数字开关阵列模块，
步骤S4，将能量单元阵列模块通过所述数字开关与输入输出电路电连接；
步骤S5，将所述数字开关阵列模块与控制模块电连接；
步骤S6，对PCB板或者硅片进行封装，形成现场可编程能源芯片；
所述控制模块控制所述数字开关阵列模块对不同的单个能量单元进行串并联，实现调整所述能量单元阵列模块的输出电压与电流，单个能量单元可为薄膜锂电池、薄膜超级电容器、物理电容或三者之间组合的微纳储能器件中任一种；
所述数字开关阵列模块的基本组成单位为单个数字开关，所述单个数字开关与单个能量单元一一对应，且所述单个数字开关与所述能量单元电连接，以使所述控制模块控制所述单个数字开关，以调整所述单个能量单元的输入与输出；
所述单个能量单元包括充电、放电以及空置三种状态，由所述数字开关阵列模块切换所述单个能量单元的状态，并且所述数字开关阵列模块内设置有能量单元状态记录模块，所述能量单元状态记录模块可通过连接电路中是否有电流通过以及连接电路中电流的流向来判断所述能量单元的实时状态，并将所述单个能量单元的实时状态反馈至所述控制模块，使得所述控制模块可根据各所述单个能量单元所处的状态发出指令控制对应的单个能量单元进行工作；
所述控制模块的控制方式包括手动输入控制和智能控制，其中所述手动输入控制为通过外部软件更改、配置控制所述数字开关阵列模块，所述智能控制为通过负载反馈请求自动调节方式控制所述数字开关阵列模块。
5.一种能源芯片的应用，其特征在于：所述如权利要求1-3中任一项的所述能源芯片可应用于手表、MP3、蓝牙耳机。
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