JP2015536637A - 薄膜マイクロバッテリの充電制御及び出力制御 - Google Patents

Abstract

再充電可能な薄膜マイクロバッテリ・セルの充電制御及び出力制御のための制御システムは、薄膜マイクロバッテリ・セルの充電のレベルを制御するように構成された充電制御ロジック・コンポーネントと、所定の条件下で薄膜マイクロバッテリ・セルの電流引き込みを停止するためのバッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントと、所定の条件下で充電制御ロジック・コンポーネント及びバッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントの動作を可能にするために、充電制御ロジック・コンポーネント及びバッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントに動作可能に結合されるモード制御ロジック・コンポーネントと、バッテリ出力電位を少なくとも２：１の割合で低減するように構成された、システムの外部への電圧の供給のためのスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントとを備える。再充電可能な薄膜マイクロバッテリ・セルに動作可能に接続されるシステムと、システム及びマイクロバッテリ・セルを備えるパワー電子デバイスも説明される。【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１２年１１月２９日に出願され、「ＴＨＩＮ−ＦＩＬＭ ＭＩＣＲＯＢＡＴＴＥＲＹ ＣＨＡＲＧＥ ＡＮＤ ＯＵＴＰＵＴ ＣＯＮＴＲＯＬ」と題された米国非仮出願第１３／６８８，９８６号の利益を主張し、この出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、薄膜エネルギー貯蔵デバイスの分野に関し、より具体的には、薄膜マイクロバッテリの充電及び出力の制御に関する。

電子機器は、コンピュータ、携帯電話、追跡システム、スキャナ等などの多くの携帯デバイスに組み込まれてきた。携帯デバイスの１つの欠点は、デバイスに電源を含む必要があることである。携帯デバイスは、典型的には、バッテリを電源として使用する。バッテリは、少なくともデバイスが使用される期間は、そのデバイスに電力を供給するのに充分な容量を有しなければならない。充分なバッテリ容量は、デバイスの他の部分と比較して、非常に重く及び／又は大きい電源につながり得る。したがって、充分なエネルギー貯蔵を有する、より小型且つより軽量なバッテリ（即ち、電源）が望まれる。スーパーコンデンサなどの他のエネルギー貯蔵デバイス、並びに太陽光発電及び燃料電池などのエネルギー交換デバイスは、携帯用電子機器及び非携帯型の電子用途における電源として使用するためのバッテリの代替案である。

エネルギー貯蔵デバイスの１つのタイプは、固体薄膜マイクロバッテリである。薄膜バッテリの例は、米国特許第５，３１４，７６５号、第５，３３８，６２５号、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号及び第５，７０５，２９３号において説明されている。米国特許第５，３３８，６２５号は、薄膜バッテリ、特に、薄膜マイクロバッテリ、及び電子デバイスのためのバックアップ電源又は第１の統合電源としての用途を有する薄膜バッテリを製造する方法を説明する。米国特許第５，４４５，９０６号は、網状基板が複数の堆積ステーションを自動的に通過するにつれて、薄いバッテリ・コンポーネント膜が網状基板上に順に堆積される、複数の堆積ステーションを利用する方法を用いて形成される薄膜バッテリ構造を製造するための方法及びシステムを説明する。

小型デバイスへの電源の提供を容易にするデバイス及び方法への必要性が引き続き存在する。

再充電可能な薄膜マイクロバッテリ・セルの充電制御と出力制御との双方を制御する制御システムが提供される。本システムは、薄膜マイクロバッテリ・セルの充電のレベルを制御するように構成された充電制御ロジック・コンポーネントを含む。したがって、充電制御ロジック・コンポーネントは、バッテリ寿命を保護及び拡張する。また、バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントは、所定の条件下で薄膜マイクロバッテリ・セルの電流引き込みを停止するために含まれる。モード制御ロジック・コンポーネントは、所定の条件下で充電制御ロジック・コンポーネント及びバッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントの動作を可能にするために、充電制御ロジック・コンポーネント及びバッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントに動作可能に結合される。

本システムの外部への電圧の供給のためのスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントは、バッテリ出力電位を少なくとも２：１の割合で（少なくとも1/2倍で）低減するように構成される。このスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントは、マイクロバッテリの有効動作が少なくとも２倍長くなるように、出力エネルギーを効率的に低減して、低電力デバイスに電力を供給する。本環境におけるダウンコンバータ技術の使用は、３つの利益を提供する。第１に、電圧の低減は、負荷による著しく低減された電力消費につながる、Ｖ^２／Ｒの乗数の利益を提供する。第２に、より低い電圧で動作することは、リアル・タイム・クロックなどの低電力デバイスを動作させるための未使用のエネルギーのより少ない浪費につながる。第３に、マイクロバッテリから引き込まれる電流の量がより少なくなるため、より少ない電力損失がマイクロバッテリの内部インピーダンスを通じて経験される。また、より少ない電流がマイクロバッテリから引き込まれるため、マイクロバッテリの動作温度が拡大される。より低い温度におけるマイクロバッテリは、より高い温度における同じマイクロバッテリよりも高いインピーダンスを示す。本システムは、同じデバイスの動作をより少ない電流で可能にするため、マイクロバッテリの有効温度範囲が、より低い温度における有効動作を含むように拡大される。同様に、マイクロバッテリが多数のサイクルに曝されるにつれて、マイクロバッテリのインピーダンスのレベルは上昇する。本システムは、同じデバイスの動作をより少ない電流で可能にするため、本システムによって制御されるマイクロバッテリは、同じ量の作業を行うためにより少ない回数のサイクルを必要とし、マイクロバッテリの寿命を増加させる。

単一のシステムにおける上記４つのコンポーネント全ての組み合わせは、本明細書において提供される充電制御及び出力制御が提供されない同様のセルと比較して、再充電可能な薄膜マイクロバッテリの優れた信頼性及び機能性をもたらす高効率な制御を提供する。

一実施形態において、上記に議論された４つのコンポーネント全ては、単一の集積回路に位置する。一実施形態において、本システムは、薄膜マイクロバッテリと共に単一のパッケージとして提供される。

好適な実施形態において、充電制御ロジックは、本システムの周囲温度が所定の値を超える場合に、薄膜マイクロバッテリの電圧を低減するように構成される。

本願に組み込まれ、本願の一部を構成する添付の図面は、本発明の幾つかの態様を例証し、実施形態の説明と共に、本発明の原理を説明するために役立つ。図面の簡単な説明は、以下の通りである。

本発明の充電制御及び出力制御のための制御システムの一実施形態の全体的な構造を示す図である。 本発明の充電制御ロジックの一実施形態の構造を示す図である。 本発明のバッテリ低電圧カットオフ及びスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントの一実施形態の構造を示す図である。 本発明のモード制御ロジック・コンポーネントの一実施形態の構造を示す図である。 本発明の充電制御及び出力制御のための制御システムの３端子の実施形態の全体的な構造を示す図である。 本発明の充電制御及び出力制御のための制御システムの２端子の実施形態の全体的な構造を示す図である。

本発明に係るデバイス及び方法は、従来のコンポーネントの特定の詳細な構成だけでなく、従来のコンポーネントの新規な組み合わせを含むが、これに限定されないことが理解されるべきである。したがって、本明細書における説明の助けを借りれば当業者には容易に明らかとなるであろう構造上の細部により本開示を曖昧にしないために、従来のコンポーネント及び回路の構造、方法、機能、制御及び配置は、大部分が、容易に理解可能なブロック図及び概略図によって図面において例証されている。さらに、本発明は、例示的な図面に描かれる特定の実施形態には限定されないが、請求の範囲の文言に従って解釈されるべきである。

本発明の目的のため、薄膜マイクロバッテリ・セルは、最長寸法が６０ｍｍを超えず、より好適には、２０ｍｍを超えず、アノード電流コレクタ及びカソード電流コレクタのそれぞれの内部表面から測定される厚みが５０ミクロンを超えないマイクロバッテリ・セルである。また、個々のマイクロバッテリ・セルは、約５００μＡＨ以下の有効容量を有する。本明細書において提供されるような、充電制御と出力制御との双方を有する低電力容量の再充電可能な薄膜マイクロバッテリは、優れた長期性能を示し、これまでは確実に達成可能ではなかった適用環境に電力を供給し得ることが分かっている。

本発明の一実施形態において、個々のマイクロバッテリ・セルは、約５００μＡＨから約１μＡＨの有効容量を有する。本発明の一実施形態において、個々のマイクロバッテリ・セルは、約５００μＡＨから約２００μＡＨの有効容量を有する。本発明の一実施形態において、個々のマイクロバッテリ・セルは、約２００μＡＨから約５０μＡＨの有効容量を有する。本発明の一実施形態において、個々のマイクロバッテリ・セルは、約５０μＡＨから約２５μＡＨの有効容量を有する。本発明の一実施形態において、個々のマイクロバッテリ・セルは、約２５μＡＨ以下の有効容量を有する。本発明の一実施形態において、個々のマイクロバッテリ・セルは、約２５μＡＨから約１μＡＨの有効容量を有する。上記のマイクロバッテリ容量範囲の各々は、対応する電力消費を有するデバイスへの電力供給において利点を提供する固有の電源供給能力を定義する。そのようなデバイスには、本システムによって得られるような性能特性を有する薄膜の再充電可能なマイクロバッテリであるバッテリ電源がこれまでは提供されていなかった。

本明細書において、「マイクロバッテリ・セル」という用語は、機能しているマイクロバッテリ・セルアセンブリと、まだ機能していないが、初充電の適用時には機能的となるマイクロバッテリ・セルとを付加的に含む。

好適な実施形態において、マイクロバッテリ・セルは、固体セルであり、これは、マイクロバッテリ・セルが、液体として流れる個別のコンポーネントを含まないことを意味する。固体コンポーネントは、例えば、高分子が溶剤と結合して適当なイオン移動特性を提供する高分子電解質を含み得る。しかしながら、高分子と関連付けられる溶剤は、バッテリの物理的損傷が発生した場合にバッテリ・セルからの溶剤の流出を許容するほど多量には存在しない。固体薄膜マイクロバッテリは、特に強固で耐久性があり、物理的な酷使及び温度変化に曝され得る適用例において使用され得るため、有利である。

図１は、再充電可能な薄膜マイクロバッテリ・セルの充電制御及び出力制御のための制御システム１０の全体的な構造を示す。制御システム１０は、薄膜マイクロバッテリ・セル２５の充電のレベルを制御するように構成された充電制御ロジック・コンポーネント２０を備える。充電制御ロジック２０は、所定の値に従って又は外部インタフェースによって設定される値によって、薄膜マイクロバッテリ・セル２５に印加されるべき入力電圧を測定及び制御する。例えば、薄膜マイクロバッテリ・セル２５に印加されるべき入力電圧は、４．１Ｖに設定されてもよく、あるいは、外部インタフェース（図示せず）によって、より高い電位又はより低い電位に設定されてもよい。充電制御ロジック・コンポーネント２０の一実施形態の具体的な構造は、図２において、より詳細に示される。バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント３０は、所定の条件下で、薄膜マイクロバッテリ・セル２５への電流引き込みを停止させるように動作させられる。バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント３０についての一実施形態の具体的な構造は、図３において、より詳細に示される。モード制御ロジック・コンポーネント４０は、所定の条件下で充電制御ロジック・コンポーネント及びバッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントの動作を可能にするために、充電制御ロジック・コンポーネント２０及びバッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント３０に動作可能に結合される。モード制御ロジック・コンポーネント４０は、外部電源が切断され、デバイスがバッテリ電源で動作しているか、バッテリが充電を必要としているか、及び、２端末モードで動作している場合に、バッテリがデバイスへの電源として遮断されるべきかを判定する。外部電源の回復時には、モード制御ロジック・コンポーネント４０は、充電コントローラ２０をオンにすることによって、電荷ポンプ・イネーブル信号線４２を介してバッテリ充電動作を再開する。薄膜マイクロバッテリ・セル２５が負荷に接続され得るように、エッジ制御信号は、電荷ポンプ・イネーブル信号線４２によってバッテリ・カットオフ３０へ付加的に提供される。随意的に、モード制御ロジック・コンポーネント４０にはリセット線４６が提供され、このリセット線４６は、信号を外部コンポーネントへ提供して、本システムが充電モードにあり、バックアップ・バッテリ電源を流出させていないことを通知する。モード制御ロジック・コンポーネント４０の一実施形態の具体的な構造は、図４において、より詳細に示される。スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネント３５は、バッテリ出力電位を少なくとも２：１の割合（少なくとも1/2倍）で低減させるように構成される。出力電圧は、予め設定されてもよく、又は、外部インタフェース５０を使用して随意的に選択されてもよい。スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネント３５の一実施形態の具体的な構造は、図３において、より詳細に示される。

本発明の一実施形態において、薄膜マイクロバッテリ・セル２５は、本システムの制御コンポーネントとは物理的に別個のコンポーネントとして提供される。好適な実施形態において、本システムの制御コンポーネントは、薄膜マイクロバッテリ・セルとは別個に製造及び／又は販売され得る単一の集積回路において提供される。したがって、本システムは、バッテリを制御システムに電気的に接続して、デバイスにおける後の組み込みのために単一のバッテリ／制御システムを提供するハードウェア製品に供給されることができ、又は、別個のバッテリ及び制御システムをデバイスにおいて同時に若しくは順次組み込まれることができる。

図２は、電圧を所望のレベルに高めるための電荷ポンプとして動作する温度補償スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータ２２０を充電コントローラ・コンポーネント２００が備える充電制御ロジック構造の一実施形態を示す。一実施形態において、スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータ２２０は、本発明の制御システムの他のコンポーネントが存在する集積回路の外部に位置し得る。好適な実施形態において、スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータ２２０は、本発明の制御システムの他のコンポーネントが存在する同じ集積回路に位置する。代替的な実施形態において、電荷ポンプ機能は、別個の回路に位置する誘導性昇圧コンバータによって代わりに提供される。しかしながら、スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータを電荷ポンプとして使用することは、空間的な理由及び経済的な理由から好適である。スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータ２２０は、温度コントローラ基準２３０に動作可能に接続され、温度コントローラ基準２３０は、温度コントローラ基準２３０の周囲温度を測定し、薄膜バッテリ２６０に提供される電圧のレベルが所定の基準に従って補償された温度となるように、スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータ２２０に情報を提供する。温度コントローラ基準２３０は、バッテリの実際の温度を測定するように構成されてもよく、又は、両温度が同一でない場合にはバッテリの温度を予測するようにインデックス化されてもよいことが理解されるであろう。薄膜バッテリの効率及び寿命は、帯電電位の温度に対する関係を最適化することによって最大化され得ることが分かっている。したがって、ある薄膜固体バッテリは、好適には、摂氏２３度で４．１Ｖの電位に充電される。バッテリが加熱されるにつれて、バッテリの電位は、最適な効率及び最適な寿命のために低減されるべきである。本発明の一実施形態において、薄膜バッテリの電圧は、２３度を超えると摂氏１度ごとに約２〜２．５ｍＶのアルゴリズムに従って低減される。好適な実施形態において、充電コントローラ・コンポーネント２００は、シャント・レギュレータなどの温度制御電流シンク２４０を備える。バッテリが満充電され、充電中のバッテリについての所望のレベルを超えて温度が上昇したことを温度コントローラ基準２３０が検出した場合には、温度コントローラ基準２３０は、温度制御電流シンク２４０を関与させるために信号を送り、それによって、エネルギーを流出させ、バッテリの電位をバッテリの周囲温度についての所望のレベルに低減する。充電コントローラ・コンポーネント２００は、バッテリが連続的にバイアスをかけられ又は充電されないように、且つ、付加的に、バッテリ寿命全体を改善するために周期を成し得るように、電荷ポンプが永久に遮断されることを可能にする充電回路パワー・オフ・スイッチを付加的、随意的に備える。

図３は、薄膜マイクロバッテリ・セル３６０の下流に存在するコンポーネントの詳細を特に議論する、本発明の一実施形態を示す。具体的には、バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント３１０は、デバイスがバッテリ電源で動作している（そのため、消耗している）場合に、バッテリの残存電圧を判定し、所定の条件下で、薄膜マイクロバッテリ・セル３６０からの電流の引き込みを停止する。バッテリ低電圧カットオフの起動のための所定の条件の例は、バッテリ電位が３Ｖなどの所定の閾値（「カットオフ閾値」）未満である場合を含む。一実施形態において、カットオフ閾値は、２．５〜３．５Ｖの間の値から選択され、又は、別の実施形態において、カットオフ閾値は、２．８〜３．２Ｖの間の値から選択される。カットオフ閾値は、２．５Ｖ、２．６Ｖ、２．７Ｖ、２．８Ｖ、２．９Ｖ、３．０Ｖ、３．１Ｖ、３．２Ｖ、３．３Ｖ、３．４Ｖ又は３．５Ｖなどの任意の値とすることができる。マイクロバッテリ・セルの電圧は、Ａ／Ｄコンバータ、又は比較器と共にＤ／Ａコンバータ、又は他の適当なシステムの使用などによって、本技術分野の当業者には今や明らかなように、従来の電圧測定技法を使用して測定され得る。一実施形態において、バッテリの電圧は、エッジ検出ロジックを使用して測定される。別の実施形態において、バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント３１０は、例えば、ねじの緩み又は過熱部分による瞬間的な短絡などの、バッテリへの過度の負荷が検出された場合に、バッテリをデバイスから遮断するために起動される。

図３に示されるように、バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント３１０は、バッテリ電圧サンプリング動作及びこのコンポーネントのカットオフ機能を実行するためにサブ閾値電圧レベルで動作するロジック回路を随意的に利用する。本発明の目的のために、「サブ閾値電圧」は、トランジスタの動作についての閾値電位未満の電位である。サブ閾値電圧レベルにおけるロジック回路の動作は、より大きな量の電流をマイクロバッテリから不必要に引き込むことよりもむしろ、回路がナノ電流レベル又はピコアンペア電流レベルで動作することを可能にする。本発明の一実施形態において、バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント３１０は、バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント３１０の内部回路によって使用されている電位を約１０〜約７００ミリボルトのレベルに低減するためのスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・アレイを備える。本発明の一実施形態において、バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント３１０は、バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント３１０の内部回路によって使用されている電位を約１００〜約５００ミリボルトのレベルに低減するためのスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・アレイを備える。本発明の一実施形態において、バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント３１０は、バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント３１０の内部回路によって使用されている電位を約３００〜約４００ミリボルトのレベルに低減するためのスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・アレイを備える。

外部電源が回復された場合、（図１に示されるような）充電コントローラ２０及びバッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント３１０は、再起動される。

一実施形態において、スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネント３４０は、発熱抵抗コンポーネントを通じて電圧を低減する線形低ドロップアウト・システムよりもむしろ、コンデンサ切替要素を使用して、本システムの外部に存在するデバイスを動作させるために供給されるべき電圧をより高い電圧からより低い電圧へ有利に変換する。スイッチ・キャパシタ・システムの使用によって、エネルギーは、より効率的に変換され、全てのコンポーネントは、単一の集積回路に集積されることができ、繊細な電子コンポーネントが、より非効率的な電圧変換システムによって生成される熱に曝されないため、システム全体は、より強固となる。また、スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントの下流のデバイスは、低減された電圧で動作する場合の優れた性能が理由で、信頼性が増し、より長期間機能する（より長い寿命）。好適な実施形態において、本システムは、線形レギュレータを含まない電圧低減コンポーネントを備える。

一実施形態において、本システムの外部への電圧供給のためのスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントは、２：１〜５：１の整数比、例えば、２：１、３：１、３：２、４：１、又は５：１などの整数比で電位を低減する。一実施形態において、本システムの外部への電圧供給のためのスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントは、電位を約０．３Ｖ〜約３．３Ｖに低減する。本システムにより外部負荷へ供給される電圧のこのようなダウンコンバージョンは、バッテリの寿命を著しく拡張し、例えば、５μＡＨの容量を有するバッテリを、従来の制御技術を使用する、１０μＡｈ又は１５μＡｈの容量を有するバッテリのように機能させる。

一実施形態において、本システムには、約１０〜約７００ミリボルトのレベルの外部電位を供給するためのスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントが提供される。別の実施形態において、システムには、約１００〜約５００ミリボルトのレベルの外部電位を供給するためのスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントが提供される。別の実施形態において、システムには、約３００〜約４００ミリボルトのレベルの外部電位を供給するためのスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントが提供される。

電圧低減の値は、容量比及び構成の選択によって設定されてもよく、又は、出力電圧セレクタ・インタフェース３５０によって随意的に選択可能とされてもよい。

一実施形態において、スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネント３４０は、このコンポーネントに関連付けられる内部ダウンコンバータ制御機能を実行するためにサブ閾値電圧レベルで動作するロジック回路を随意的に利用する。この実施形態において、スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネント３４０は、２つのダウンコンバータ・アレイ、即ち、上記で議論されたように外部負荷へ供給されるべき電圧をダウンコンバートするための第１のダウンコンバータ・アレイと、サブ閾値ロジック・レベルで内部動作回路へ供給されるべき電圧をダウンコンバートするための第２のダウンコンバータ・アレイとを備える。一実施形態において、第２のスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・アレイは、スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネント３４０の内部回路によって使用されている電位を約１０〜約７００ミリボルトのレベルに低減する。本発明の一実施形態において、スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネント３４０は、スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネント３４０の内部回路によって使用されている電位を約１００〜約５００ミリボルトのレベルに低減するためのスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・アレイを備える。本発明の一実施形態において、スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネント３４０は、スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネント３４０の内部回路によって使用されている電位を約３００〜約４００ミリボルトのレベルに低減するためのスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・アレイを備える。

本発明の一実施形態において、バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント３１０は、漏洩電流を約３０ピコアンペア以下の値に制限するための回路構成を備える。一実施形態において、漏洩電流を制限するための回路構成は、薄膜マイクロバッテリ・セル３６０とバッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント３１０との間の選択的に有効にされる電気接続を提供する少なくとも２つの直列接続されたトランジスタを備える。漏洩電流を制限するためのこのような回路構成は、２０１２年７月２４日に発行された米国特許第８，２２８，０２３号においてさらに説明されており、この特許の開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

低容量薄膜マイクロバッテリ・セルは、長期間にわたって電力を提供することについて特定の課題を提示する。本発明の一実施形態において、充電制御及び出力制御システムは、静止ドレイン（即ち、外部電源が切断されている間、内部回路を使用して本システムを監視するだけで生じるバッテリの消費）及び電力漏洩を通じた電力損失を最小限に抑えるように好適に構成される。一実施形態において、本システムが外部電源から切断された場合の動作のために充電制御及び出力制御を監視するための本システムの全ての内部回路は、サブ閾値ロジック回路である。別の実施形態において、本システムが外部電源から切断された場合の動作のために充電制御及び出力制御を監視するための本システムの全ての内部回路は、漏洩電流を約３０ピコアンペア以下、より好適には、約１０ピコアンペア以下の値に制限するように構成される。別の実施形態において、本システムが外部電源から切断された場合の動作のための充電制御及び出力制御を監視するための本システムの全ての内部回路は、サブ閾値ロジック回路であり、漏洩電流を約３０ピコアンペア以下、より好適には、約１０ピコアンペア以下の値に制限するようにさらに構成される。

図４は、所定の条件下で充電制御ロジック・コンポーネント及びバッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントの動作を可能にするために、Ｃｐｕｍｐイネーブル線４１０を介して充電制御ロジック・コンポーネントに、及び出力イネーブル線４２０によってバッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントに動作可能に結合されるモード制御ロジック・コンポーネント４００を示す。電圧比較器４３０は、ＶＩＮを介して本システムに到来する電圧を比較して、電力が外部電源から供給されているかを判定する。外部電源から電力が提供されていない場合、モード制御ロジック４００は、Ｃｐｕｍｐイネーブル４１０をオフにすることによって、本システムを低電力モードに変換し、それによって、バッテリ充電機能をオフにする。図２に戻ると、本発明の一実施形態において、バッテリ電位が周囲条件下での好適な性能特性にとっては高すぎるレベルにバッテリ温度が上昇した場合には、充電モードにはなくても、バッテリからの電流を除去することが依然として必要となり得るため、温度コントローラ基準２３０及び温度制御電流シンク２４０がＣｐｕｍｐイネーブル４１０によって遮断されないことは注目に値する。モード制御ロジック４００は、バッテリが充電中ではないという外部標識を提供するために、ＲＥＳＥＴ４２５を介して信号も送る。モード制御ロジック４００は、図６に示されるように、本システムが２端子の構成で提供される場合において入力電力が利用可能であるときに、ＤＣ−ＤＣダウンコンバータを無効にするために、出力イネーブル線４２０を介してスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータへも信号を提供する。

モード制御ロジック４００には、出力電圧選択インタフェース４５０を使用して出力電圧を選択するための性能も提供され得る。（ユーザによる、又は自動システムの動作による）出力電圧選択インタフェース４５０における出力電圧の選択は、（図６において議論されたような）２端子モードにおけるＶＩＮ電位に応じてＤＣ−ＤＣダウンコンバータの動作のための出力イネーブル線４２０をオン又はオフにするための閾値レベルに影響を及ぼす。

図５は、薄膜マイクロバッテリ・セル５２５を含むシステム５１０が、１において電圧入力に、２においてグランドに、３において負荷への電圧出力に接続される、３端子デバイスを示す。図示のように、制御システム５１０は、薄膜マイクロバッテリ・セル５２５の充電のレベルを制御するように構成された充電制御ロジック・コンポーネント５２０を備える。充電制御ロジック５２０は、所定の値に従って又は外部インタフェースによって設定された値によって、薄膜マイクロバッテリ・セル５２５に印加されるべき入力電圧を測定及び制御する。バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント５３０は、所定の条件下で薄膜マイクロバッテリ・セル５２５の電流引き込みを停止させるように動作させられる。モード制御ロジック・コンポーネント５４０は、所定の条件下で充電制御ロジック・コンポーネント及びバッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントの動作を可能にするために、充電制御ロジック・コンポーネント５２０及びバッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント５３０に動作可能に結合される。モード制御ロジック・コンポーネント５４０は、外部電源が切断され、デバイスがバッテリ電源で動作しているか、バッテリが充電を必要としているか、及び、何らかの理由でバッテリを保護するために、バッテリがデバイスへの電源として遮断されるべきかを判定する。外部電源の回復時に、モード制御ロジック・コンポーネント５４０は、電荷ポンプ・イネーブラ信号線５４２を介してバッテリ充電動作を再開する。随意的に、モード制御ロジック・コンポーネント５４０には、リセット線５４６が提供され、このリセット線５４６は、本システムが充電モードにあり、バックアップ・バッテリ電源を流出させていないことを通知するために、外部コンポーネントへ信号を提供する。スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネント５３５は、バッテリ出力電位を少なくとも２：１の割合で（少なくとも1/2倍に）低減し、電力をデバイス５６０へ供給するように構成される。出力電圧は、予め設定されてもよく、又は外部インタフェース５５０を使用して随意的に選択されてもよい。３端子システム５１０は、所望の特徴のうちの１つが、負荷へ供給される電圧のインライン・リダクションである適用例において、好適に使用される。前述の内容はシステム５１０の構成の要約であること、及び、図２〜図４に関連して説明された様々なコンポーネントの細部及び随意的な態様は、システム５１０の設計において個別に又は組み合わせて組み込まれ得ることが理解されるであろう。

本発明の一実施形態において、薄膜マイクロバッテリ・セル５２５は、本明細書において説明されるように、後に組み立てられ、充電及び入力制御コンポーネントに電気的に接続され得る、システムの制御コンポーネントから物理的に別個の（即ち、別個の物理プラットフォーム上の）コンポーネントとして提供される。本発明の別の実施形態において、薄膜マイクロバッテリ・セル５２５は、デバイス製造業者に単一の組立品として供給され、デバイス製造業者によってデバイスにプラグイン組み込みされる本システムの制御コンポーネントと物理的及び電気的に接続される（即ち、単一の物理プラットフォーム上の）コンポーネントとして提供される。

図６は、制御システム６１０が電源６０１とデバイス６６０との間の中間リンクとなることなく、補助電源をデバイス６６０へ提供するように構成される、２端子デバイスを示す。システム６１０は、接続１において外部電源に接続され、グランド２において接地される。

システム６１０は、薄膜マイクロバッテリ・セル５２５の充電のレベルを制御するように構成された充電制御ロジック・コンポーネント６２０を備える。充電制御ロジック６２０は、所定の値に従って又は外部インタフェースによって設定された値によって、薄膜マイクロバッテリ・セル６２５に印加されるべき入力電圧を測定及び制御する。バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント６３０は、所定の条件下で薄膜マイクロバッテリ・セル６２５の電流引き込みを停止するように動作させられる。モード制御ロジック・コンポーネント６４０は、所定の条件下で充電制御ロジック・コンポーネント及びバッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントの動作を可能にするために、充電制御ロジック・コンポーネント６２０及びバッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネント６３０に動作可能に結合される。モード制御ロジック・コンポーネント６４０は、外部電源が切断され、デバイスがバッテリ電源で動作しているか、バッテリが充電を必要としているか、及び、何らかの理由でバッテリを保護するために、バッテリがデバイスへの電源として遮断されるべきかを判定する。外部電源の回復時に、モード制御ロジック・コンポーネント６４０は、電荷ポンプ・イネーブラ信号線６４２を介してバッテリ充電動作を再開する。随意的に、モード制御ロジック・コンポーネント６４０には、リセット線６４６が提供され、このリセット線６４６は、本システムが充電モードにあり、バックアップ・バッテリ電源を流出させていないことを通知するために、外部コンポーネントへ信号を提供する。スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネント６３５は、バッテリ出力電位を少なくとも２：１の割合で（少なくとも1/2倍で）低減し、電力をデバイス６６０へ供給するように構成される。出力電圧は、予め設定されてもよく、又は外部インタフェース６５０を使用して随意的に選択されてもよい。前述の内容はシステム６１０の構成の要約であること、及び、図２〜図４に関連して説明された様々なコンポーネントの細部及び随意的な態様は、システム６１０の設計において個別に又は組み合わせて組み込まれ得ることが理解されるであろう。

制御システム６１０は２端子デバイスであるため、本システムは、コンデンサ又はバッテリと同様に、回路アレイに容易にプラグインされることができる。有利には、薄膜マイクロバッテリ・セル６２５と組み合わされた本システムは、デバイス製造業者のバックアップ電源のニーズを都合よく満たすために、デバイス製造業者によって開発される製品のバランスの設計コンポーネントに関する配慮なしに挿入されることができる既製のデバイスを提供する。

動作中、外部電源６７０からの電力は、デバイス６６０へ直接提供される。外部電源が利用可能である間、上記で議論されたように、エネルギーは、（外部充電終了信号を随意的に提供することを含む）モード制御ロジックの動作を通じて必要に応じてバッテリを充電するために、充電コントローラ６２０にも提供される。

外部電源が失われた場合、薄膜マイクロバッテリ・セル６２５が充電されないように、充電コントローラ６２０には、モード制御ロジック６４０から信号が提供される。出力イネーブル６４４は、ＤＣ−ＤＣダウンコンバータ６３５を動作させるために起動され、このＤＣ−ＤＣダウンコンバータ６３５は、電力をデバイス６６０に提供する。ブロッキング・ダイオード６６５又は同様の漏洩防止コンポーネントは、電流の漏洩を防止するために、システム６１０に動作可能に接続される。本発明の実施形態において、ブロッキング・ダイオード６６５又は同様の漏洩防止コンポーネントは、デバイス６６０に隣接して又はデバイス６６０内に随意的に位置する。デバイス６６０には、外部電源が回復されるまで、薄膜マイクロバッテリ・セル６２５から電力が提供され、又は、マイクロバッテリは、所定の閾値レベル未満に放電され、若しくは過度の負荷を経験する。

図６に示されるような実施形態において、外部ＤＣ−ＤＣダウンコンバータは、外部電源６１０とデバイス６６０との間の中間にはない。図示のように、デバイスは、外部電源が利用可能である場合には、外部電源６１０の全電圧を提供され、デバイスがバッテリ電源で動作している場合には、低減された電圧電力のみを受け取る。

本発明の一実施形態において、薄膜マイクロバッテリ・セル６２５は、本明細書において説明されるように、後に組み立てられ、充電及び入力制御コンポーネントに電気的に接続され得る２端子システムの制御コンポーネントとは物理的に別個の（即ち、別個の物理プラットフォーム上の）コンポーネントとして提供される。本発明の別の実施形態において、薄膜マイクロバッテリ・セル６２５は、デバイス製造業者に単一の組立品として供給され、デバイス製造業者によってデバイスにプラグイン組み込みされる２端子システムの制御コンポーネントと物理的及び電気的に接続される（即ち、単一の物理プラットフォーム上の）コンポーネントとして提供される。

一実施形態において、本システムは、約０．３Ｖ〜約３．３Ｖの電圧で動作するように構成される１つ又は複数の下流のデバイスに接続され、本システムには、約０．３Ｖ〜約３．３Ｖのレベルの外部電位の供給のためのスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントが提供される。

別の実施形態において、本システムは、サブ閾値電圧で（即ち、トランジスタの動作についての閾値電位未満で）動作するように構成される１つ又は複数の下流のデバイスに接続され、本システムには、サブ閾値レベルの外部電位の供給のためのスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントが提供される。

標準の４〜４．１Ｖ未満の電圧で動作させられるデバイスは、再充電可能な薄膜マイクロバッテリと組み合わせて使用される場合に、特に有利であることが分かっている。なぜならば、低電圧で動作する電子コンポーネントは、より少ない物理的な負荷に曝され、電子コンポーネントは、より高い電圧で動作する同様のコンポーネントよりも長い寿命を有する傾向があるためである。好適には、デバイスは、低電力ＲＴＣ、スリープ・タイマ及び／又は環境発電電力変換回路などの機能性を備える。

本システムにおいて使用される再充電可能な薄膜マイクロバッテリ・セルは、当業者によって今や認識されるように、様々な手法で構成され、様々な材料を使用して製造され得る。一実施形態において、マイクロバッテリ・セルは、満充電状態において、又は「プリチャージされた（ｐｒｅ−ｃｈａｒｇｅｄ）」状態において提供される。プリチャージされた状態のマイクロバッテリ・セルの例は、機能的な量の金属リチウム・アノードを含まないが、充分に充電された場合には機能的な金属リチウム・アノードを含む、マイクロバッテリ・セル・コンポーネントの組立品である。したがって、本発明の薄膜マイクロバッテリは、充電されたことがないか、又は、部分的に充電されているが、実用的なマイクロバッテリとして機能するために充分な（即ち、ＡＳＩＣなどのコンポーネントに、その意図される動作サイクルのために電力供給するのに充分な）量の金属リチウムを含むほど充分には充電されていないコンポーネントの組立品であり得る。

満充電された場合の薄膜マイクロバッテリは、カソード電流コレクタ、カソード、電解液、並びにアノード及びアノード電流コレクタを備える。マイクロバッテリ・セルは、典型的には、基板上に製造される。本発明の好適な実施形態において、薄膜マイクロバッテリ・セルは、最初は、アノードなしで、ただし、リチウムイオン源としての機能を果たすことができるカソード層と共に構築される。この薄膜マイクロバッテリ・セルの実施形態の充電時に、金属リチウムは、電解液とアノード電流コレクタとの間でめっきされて、アノードを形成する。あるいは、アノードは、アノード層を形成することを受容可能な層におけるアノード材料のインターカレーションによって形成され得る。例えば、カソード層は、リチウムイオン源としての機能を果たすことができるＬｉＣｏＯ_２などの材料であり得る。同様に、薄膜マイクロバッテリ・セルは、最初は、後に充電期間中に形成されるカソード層なしで構築され得る。薄膜バッテリの例は、米国特許第５，３１４，７６５号、第５，３３８，６２５号、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号及び第７，９３９，２０５号、並びに米国特許出願公開第２００９／０２１４８９９号及び第２００７／００１２２４４号において説明されており、これらの各々は、あらゆる目的のために、特に、マイクロバッテリ・セル・コンポーネントの構築方法論及び材料選択、並びに薄膜バッテリを備えるデバイスの実施形態に関して、参照により本明細書に組み込まれる。

本明細書において使用される全ての割合及び比は、特に示されない限り、重量パーセント及び重量比である。本明細書において引用される全ての特許、特許出願（仮出願を含む）、及び特許出願公開は、あらゆる目的のために、個々に組み込まれるかのように、参照により本明細書に組み込まれる。本文書によって説明されることが意図された本発明の多数の特性及び利点は、前述の説明において述べられている。ただし、本発明の特定の形態又は実施形態が例証されている一方で、形状、部品の配置などの変形を含む様々な変形は本発明の精神及び範囲から逸脱することなく行われ得ることが理解されるべきである。

Claims (19)

1. 再充電可能な薄膜マイクロバッテリ・セルの充電制御及び出力制御のための制御システムであって、
   薄膜マイクロバッテリ・セルの充電のレベルを制御するように構成された充電制御ロジック・コンポーネントと、
   所定の条件下で該薄膜マイクロバッテリ・セルの電流引き込みを停止するためのバッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントと、
   所定の条件下で該充電制御ロジック・コンポーネント及び該バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントの動作を可能にするために、該充電制御ロジック・コンポーネント及び該バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントに動作可能に結合されるモード制御ロジック・コンポーネントと、
   バッテリ出力電位を少なくとも２：１の割合で低減するように構成された、該システムの外部への電圧の供給のためのスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントと、
   を備える、制御システム。
2. 前記充電制御ロジックが、前記システムの周囲温度が所定の値を超える場合に、前記薄膜マイクロバッテリの電圧を低減するように構成される、請求項１記載のシステム。
3. 前記充電制御ロジック・コンポーネントが、スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータ、前記システムの周囲温度を測定する温度コントローラ基準、及び温度制御シャント・レギュレータを備え、該温度制御シャント・レギュレータの動作によって、前記システムの該周囲温度が所定の値を超える場合、前記充電制御ロジックが、前記薄膜マイクロバッテリの電圧を低減するようにプログラムされる、請求項１記載のシステム。
4. 前記周囲温度の前記所定の値が、摂氏約２３度であり、前記薄膜マイクロバッテリの前記電圧が、２３度を超えると摂氏１度につき約２〜２．５ｍＶのアルゴリズムに従って低減される、請求項３記載のシステム。
5. 前記バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントが、前記バッテリ電圧が所定の最小値の値又は所定の最小値未満に低減される場合、前記バッテリを負荷から切断するように動作する、請求項１記載のシステム。
6. 前記所定の最小値が、２．８〜３．２ボルトから選択される値である、請求項５記載のシステム。
7. 前記バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントが、
   前記バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントの内部回路によって使用されている前記電位を約１０〜約７００ミリボルトのレベルに低減するためのスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・アレイ
   を備える、請求項１記載のシステム。
8. 前記システムの外部への電圧の供給のための前記スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントが、前記電位を２：１〜５：１の整数比で低減する、請求項１記載のシステム。
9. 前記システムの外部への電圧の供給のための前記スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントが、前記電位を約０．３Ｖ〜約３．３Ｖに低減する、請求項１記載のシステム。
10. 前記システムの外部への電圧の供給のための前記スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントが、前記電位を１００〜５００ミリボルトに低減する、請求項１記載のシステム。
11. 前記スイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・コンポーネントが、前記バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントの内部回路によって使用されている前記電位を約１０〜約７００ミリボルトのレベルに低減するための第２のスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ・アレイを備える、請求項１記載のシステム。
12. 前記バッテリ・カットオフ・ロジック・コンポーネントが、漏洩電流を約３０ピコアンペア以下の値に制限するための回路構成を備える、請求項１記載のシステム。
13. 前記システムが、線形レギュレータを備えない、請求項１記載のシステム。
14. 前記システムの複数の前記コンポーネントが、単一の集積回路に位置する、請求項１記載のシステム。
15. 前記システムが、約５００μＡＨ以下の有効容量を有する再充電可能な薄膜マイクロバッテリ・セルに動作可能に接続される、請求項１４記載のシステム。
16. 前記システム及び前記再充電可能な薄膜マイクロバッテリ・セルが、パワー電子デバイスに接続されるべき２端子接続コンポーネントとして構成される、請求項１５記載のシステム。
17. 請求項１６記載の前記システムを備える、パワー電子デバイス。
18. 前記システム及び前記再充電可能な薄膜マイクロバッテリ・セルが、パワー電子デバイスに接続されるべき３端子接続コンポーネントとして構成される、請求項１５記載のシステム。
19. 請求項１８記載の前記システムを備える、パワー電子デバイス。

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