充电系统和方法

专利名称：充电系统和方法
技术领域：
本发明主要涉及用于电信号调节的系统和方法。特别地，用于电
8学调节的系统和方法净皮应用于固态薄膜电池充电。
背景技术：
已经将电子装置并入许多便携式设备，例如计算机、移动电话、 追踪系统、扫描仪等等。便携式设备的一个缺点在于需要随该设备一 起包括电源。便携式设备典型地使用电池作为电源。电池必须具有足 够的容量以便至少在设备被使用的时间段内给设备供电。足够的电池 容量可能导致电源与设备的其余部分相比会相当重和/或大。因此，期 望有具有足够能量存储的更小和更轻的电池(即，电源)。其它能量 存储器件(例如超级电容器)和能量转换设备(例如光伏和燃料电池) 可以替代电池来用作便携式电子设备和非便携式电气应用中的电源。
传统电池的另一个缺点在于一些电池由可能泄漏且受政府规章 限制的潜在有毒的材料制造。因此，期望提供一种安全、固态且在许 多个充电W文电生命周期内可再充电的电源。
一种类型的能量存储器件是固态的薄膜电池。在美国专利
5,314,765、 5,338,625、 5,445，卯6、 5,512,147、 5,561,004、 5，567，210、 5，569，520、 5,597,660、 5,612,152、 5，654，084和5，705，293中描述了薄 膜电池的示例，通过引用将上述每一个专利并入于此。美国专利No. 5,338,625描述了薄膜电池，特别是薄膜微电池，以及用于使该电池用 作电子器件的备用或第 一集成电源的方法。美国专利No. 5,445,906描 述了一种用于制造薄膜电池结构的方法和系统，该结构用利用多个淀 积台(deposition station)的方法来形成，在自动移动衬底通过这些 台时在该多个淀积台处在网状的衬底上依次构造薄的电池组件膜。
Mark L, Jenson和Jody J. Klaassen的于2004年10月19日授 权并且转让给本发明受让人的美国专利6，805，998(通过引用将其并入 于此)描述了用于将薄膜锂电池淀积到移动通过一系列淀积台的聚合 物网上的高速低温方法。
Jody J. Klassen等人的题为"LITHIUM/AIR BATTERIES WITH UPON AS SEPARATOR AND PROTECTIVE BARRIERAND METHOD"的美国专利No. 7,211,351 (通过引用将其并入于此) 描述了 一种制作锂电池的方法，其包括通过在硅氧化物的电绝缘层上 真空溅射淀积500A铬来淀积铬粘附层，紧接着淀积5000A铜，而在 导电衬底(例如，诸如铜或铝的金属)上淀积LiPON。在一些实施例 中，接着通过在氮中低压(<10mtorr)溅射淀积正磷酸锂(Li3P04 ) 来形成LiPON (锂磷的氧氮化物)薄膜。在Li-空气电池的一些实 施例中，厚度为2.5微米的LiPON被淀积在铜阳极接触的上方，并且 通过在碳酸丙烯(propylene carbonate) /LiPF6电解质溶液中LiPON 层的电镀将锂金属层形成到铜阳极接触上。在一些实施例中，空气阴 极为用碳酸丙烯/LiPF6有机电解质溶液浸透的碳粉/聚氟代丙烯酸酯 (polyfl雨oacrylate )-粘结剂涂层(Novec-1700 )。在其它实施例中， 淀积具有碳粒的阴极接触层，使得大气中的氧可以作为阴极反应物。 该配置要求提供通向基本上整个阴极表面的空气通路(air access), 这限制了密集堆叠层的用于更高电容量(即，安培小时)的能力。存 在对如下的可再充电的基于锂的电池的需要，即该电池具有改进的防 止空气和水蒸气的钝化，并且具有改进的可制造性、密度、可靠性以 及降低的成本。
下面描述的技术延伸到那些落入所附权利要求范围内的实施例， 而不管它们是否实现上述需要中的，个或多个。

发明内容
本申请提供了一种用于一体式(unitary)电池和充电电路的方 法和装置，包括其上具有集成电路电池充电电路的第一衬底以及淀积 在该衬底上以形成电池的阴极材料、阳极材料和将该阴极材料与该阳 极材料分隔的电解质层，其中该充电电路连接到电池并且被密封以形 成表面贴装的一体式封装体。
本申请还提供了一种功率转换系统和方法，包括可变充电源和能 量存储器件。功率转换电路还包括耦合到该可变充电源和该能量存储 器件的充电电路，该能量存储器件由该可变充电源来充电。此外，该
10电路包括能量存储器件隔离电路，其被配置为在来自该可变充电源的 功率低于预定的阈值时隔离该能量存储器件使其不能放电。此外，该 转换电路包括重新启动电路，其被配置为在充电功率已经降到预定电 平以下时利用来自该能量存储器件的功率重新启动该充电电路。
此夕卜，本申请提供了一种充电系统。该充电系统包括可变充电源。 该充电系统还包括能量存储器件。此外，该充电系统包括耦合到该可 变充电源和该能量存储器件的充电电路。该能量存储器件由该可变充 电源来充电。该充电电路包括电荷泵和控制该电荷泵的微控制器。该 电荷泵将电荷升到预定的阈值，并且该微控制器控制该电荷泵的输出 使得该电荷泵的输出至少在可从该可变充电源中获得足够的充电功 率的一段时间内维持相对稳定的输出电压。
可替代的示例性实施例涉及其它特征和特征的组合，如一般可以 在权利要求中叙述的那样。


施例的详细描述和附图，将获得对本发明特征和优点的更好的理解，
在附图中
图1是本发明一些实施例的、具有构建到硅衬底上的周态电池 (例如，锂离子电池)和构建到硅衬底中的其充电电路的一体式封装 体的部分制造的分层结构100的示例性的示意性截面图，还示出了被 光刻限定的电池的接触区域和电池(可选地，光刻技术还被用来分割 (singulate)电池，除衬底支持突出部(support tab )之夕卜)。
图2是具有固态电池(例如，锂离子电池)及其充电电路的一体 式封装体(具有输入、输出和接地端子的3端子器件)的示例性的示 意图。
图3是具有固态电池(例如，锂离子电池)及其充电电路的一体 式封装体(具有输入、启动和/或停止充电的控制信号、输出和接地端 子的4端子器件)的示例性的示意图。图4是本发明一些实施例的、具有构建到硅衬底上的固态电池 (例如，锂离子电池)和单独制造且稍后附接到硅衬底上的其充电电 路的一体式封装体的部分制造的分层结构400的示例性的示意性截面 图。
图5是具有固态电池(例如，锂离子电池)和密封在SMT封装 体的塑料中的其充电电路的一体式封装体(具有输入、输出和接地端 子的3端子器件)的示例性的示意性透视图。
图6是具有固态电池(例如，锂离子电池)及其感应充电电路的 一体式封装体的示意图。
图7是根据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，锂离子 电池)及其充电电路的一体式封装体(具有输入/输出和接地端子的2 端子器件)的示意图。
图8是根据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，锂离子 电池)及其充电电路的一体式封装体(具有输入、输出和接地端子的 3端子器件)的示意图。
图9是根据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，锂离子 电池)及其充电电路的一体式封装体(具有输入、启动和/或停止充电 的控制信号、输出和接地端子的4端子器件)的示意图。
图IO是冲艮据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，锂离 子电池)及其充电电路的一体式封装体(具有输入、输出和接地端子 的3端子器件)的示意图。
图11是根据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，锂离 子电池)及其充电电路的一体式封装体(具有输入、输出和接地端子 的3端子器件)的示意图。
图12是根据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，锂离 子电池)及其充电电路的一体式封装体(具有输入、输出和接地端子 的3端子器件)的示意图。
图13是根据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，锂离 子电池)及其充电电路的一体式封装体(具有输入、启动和/或停止充电的控制信号、输出和接地端子的4端子器件)的示意图。
图14是根据本发明一些实施例的能量收集和充电电路的示意图。
图15是根据本发明一些实施例的能量收集和充电电路的可替代 示意图。
图16是根据本发明一些实施例的、使用电荷泵和微控制器的示
例性充电系统的框图和示意图。
图17是根据本发明一些实施例的微控制器电荷泵的示意图。 图18-29是根据本发明一些实施例的、用于微控制器电荷泵的软
件的流程图。
具体实施例方式
在详细描述具体的改进的系统和方法之前，应当注意到本发明包 括但不限于传统的数据/信号处理组件和通信电路的新颖的结构组合， 并且不限于其具体的详细的配置。因此，在附图中通过可以容易地理 解的框图表示和示意图示出了大部分的传统的组件和电路的结构、方 法、功能、控制和布置，以便不会用本领域技术人员会容易明白的结 构细节来掩盖具有在此描述的好处的公开内容。此外，本发明不限于 在示例性图中描述的特定实施例，而是应当根据权利要求中的语言来
在本说明书中，术语"金属"适用于基本上纯的单金属元素和其 中的至少一种是金属元素的两种或更多元素的合金或组合。
术语"衬底"或"核心(core)"通常指的是作为通过各种工艺 操作转变为期望的微电子配置的基本工件的物理结构。在一些实施例 中，衬底包括导电材料(例如，铜、不锈钢、铝等等)、绝缘材料(例 如，蓝宝石、陶瓷或塑料/聚合物绝缘体等等)、半导电材料(例如， 硅)、非半导电、或者半导电的和非半导电的材料的组合。在其它一 些实施例中，衬底包括分层结构，例如芯板或者片(core sheet or piece ) 材料(例如铁镍合金等等)，其热膨胀系数(CTE)被选择为更接近
13地匹配邻近结构(例如，硅处理器芯片)的CTE。在一些这样的实施 例中，这样的衬底核心被层叠到被选择以导电和/或导热的片材料(例 如铜、铝合金等等)，其又被一层被选择以具有电绝缘、稳定和模压 特性的塑料覆盖。电解质是通过允许离子(例如，带有正电荷的锂离 子)的运动来导电而对电子不传导的材料。电池(electrical cell)或 电池是具有由电解质分隔的阳极和阴极的器件。电介质是不导电的材 料，例如，塑料、陶瓷或者玻璃。在一些实施例中，诸如LiPON的 材料在锂的源( source)和汇(sink)与LiPON层邻近时可以作为电 解质，而在净皮置于不会形成可以穿过LiPON的离子的两个金属层(例 如铜或铝)之间时还可以作为电介质。在一些实施例中，器件包括绝 缘塑料/聚合物层(电介质)，其具有水平地传送信号和电功率的布线 迹线(wiring trace)以及在各层迹线之间垂直地传送信号和电功率的 通孔。
术语"垂直"被定义为指基本上垂直于衬底的主表面。高度或深 度指的是在垂直于衬底主表面的方向上的距离。
图1是本发明一些实施例的、具有构建到硅村底上的固态电池 (例如，锂离子电池)和构建到硅衬底中的其充电电路的一体式封装 体的部分制造的分层结构100的示意性截面图，还示出了被光刻限定 的电池的接触区域和电池(可选地，光刻技术还被用来分割电池，除 衬底支持突出部之外)。在一些实施例中，结构100包括具有关联的
充电电路的堆叠的或多个电池，以提供更高的输出电压。
图2是根据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，锂离子 电池)及其充电电路的一体式封装体200 (具有输入、输出和接地端 子的3端子器件)的示意图。
图3是根据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，锂离子 电池)及其充电电路的一体式封装体300 (具有输入、启动和/或停止 充电的控制信号、输出和接地端子的4端子器件)的示意图。
图4是本发明一些实施例的、具有构建到硅衬底上的固态电池 (例如，锂离子电池)和单独制造且稍后附接到硅衬底上的其充电电
14路的一体式封装体的部分制造的分层结构400的示意性截面图。
图5是根据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，锂离子电池)和密封在SMT封装体的塑料中的其充电电路的一体式封装体(具有输入、输出和接地端子的3端子器件)的示意性透视图。在一些实施例中，电池和充电电路被密封到一体式封装体中，例如要被焊接到印刷电路的环氧密封的表面贴装技术(SMT)封装体。
图6是根据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，锂离子电池)及其感应的充电电路的一体式封装体的示意图。可以采用各种方法来对薄膜电池充电，该薄膜电池具有固态的性质并且因此就再充电方法而论比传统的锂离子和锂聚合物电池更鲁棒。在一些实施例中，这样的方法包括太阳能电池、磁感应、热电器件和压电材料。使得图6中的电路可用于薄膜固态电池的事实在于可以使用恒电势的充电方式有效地对电池充电，而不需要恒流源、安全电路、充电计数器或定时器。此外，由于这样的电池的能量容量与传统的Li离子电池相比相对较小，因此仅仅需要几微瓦到几毫瓦的功率以提供用于在几分钟之内对薄膜电池充电的充电电流。在一些实施例中，充电设备易于与电池直接集成，但是其被如此集成不是必需的。
在一些实施例中，如图6所示，借助于通过磁耦合到初级线圏的次级线圏接收能量、经由电接触件对电池再充电，并且由电压调节器干预以将电压钳制在与电池的充电电压一致的电平处。滤波电路(即，电容器Cl)可以不是必需的，而是可以将脉冲的直流电直接施加到调节器。其它实施例可以采用并且包括升压(Boost )、降压升压(BuckBoost)或其它切换能量管理拓朴。现在参考图7，其描述了根据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，锂离子电池)及其充电电路的一体式封装体(具有输入/输出和接地端子的2端子器件)的示意图。
在图7中，控制线由在固定的一段时间内对电池充电的定时器驱动，然后使充电电压与电池断开连接。这可被用于延长的充电时间对电池有害的情形和/或期望切断齐纳电流以保存功率的情形中。该图示出了定时器，但是控制线还可以由任意数目的集成电路驱动，该集成 电路具有可以根据经过的时间或其它发生的事件而被驱动为高或低 的输出。
二极管D4还可以是BAS116以侵z使用四个二极管包装(quad diode pack) 。 U2可以为任意数目的器件，包括定时器、微控制器、 信号处理器、电源监视器(supply supervisor)等等，具有控制充电 控制电路的激活/去激活的输出。可以以各种方式来实现这些充电控制 组件的集成
1) 可以使用引线接合或焊料凸点来建立到封装体外部的连接而 将分立组件封装在多芯片模块中。
2) 可以在电池制造之前将二极管、晶体管、电阻器以及(如果 适用的话)定时器控制电路中的一些或全部制造在硅(或其它衬底) 晶片上。在电池制造期间淀积的金属化层中的一个可以用作充电控制 组件与电池本身之间的互连，由此将分立组件数、总封装覆盖区和装 配成本减到最少。
3) 可以在已经在衬底上制造电池之前或之后使用喷墨或其它印 刷技术来淀积二极管、晶体管、电阻器和其它有功能的半导体组件中 的一些或全部，由此将分立组件数、总封装覆盖区和装配成本减到最 少。现在参考闺8，其描述了根据本发明一些实施例的、具有固态电 池(例如，锂离子电池)及其充电电路的一体式封装体(具有输入、 输出和接地端子的3端子器件)的示意图。在示例性实施例中，可以 用用于D1、 D2和D3的相同的二极管来替换二极管D4,使得可以使 用四个二极管包装(或两个双包装)。BAV170是BAS116的合适的 代替物。许多其它二极管类型也是可用的，并且除了尺寸和成本考虑 之外可以才艮据正向电压降和反向电流阻断特性而使用。
图9是根据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，锂离子 电池)及其充电电路的一体式封装体(具有输入、启动和/或停止充电 的控制信号、输出和接地端子的4端子器件)的示意图。在一个示例 性实施例中，Q2是可选的并且适合于非常低功率的应用或者简单地保存功率，在非常低功率的应用中可以根据某些事件接通和断开充电
控制电路。例如，/充电(/Charge)线可以由定时器驱动为高或低。四个二极管包装可以提供D1、 D2、 D3和D4。
现在参考图10,其描述了根据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，锂离子电池)及其充电电路的一体式封装体(具有输入、输出和接地端子的3端子器件)的示意图。在一个示例性实施例中，可以用用于D2的相同的二极管来替换二极管Dl使得可以使用双二极管包装。BAV170是BAS116的合适的代替物。
其它充电电路是可能的，其包括在预定量的充电时间之后关断电池充电器的电路；在电池电压下降到极限值时将电池与负载切断的电路；串联的熔断(in-line fusing)或断开连接机构，其限制到电池
断开连4妄。这会防止短路从主电源(main supply )中不必要地流出过多功率，不必要地流出过多功率可能导致电路功能性的损失。
图中的所有组件可以购买小的、便宜的、有引线(leaded)或无引线的表面贴装形式的组件，由此允许这些电路被嵌入单个封装体(例如无导线的芯片载体(LCC)、多芯片模块(MCM)、球栅阵列(BGA)、微BGA (uBGA)、封装中的系统(SiP)和其它封装类型)中，该封装体包括或没有包括控制.龙路被设计为对其充电的薄膜电池。
图11是根据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，锂离子电池)及其充电电路的一体式封装体(具有输入、输出和接地端子的3端子器件)的示意图。在示例性实施例中，电路使用模拟传输门用于隔离。此外，invl和inv2在电池电压范围(battery voltagedomain )内净皮供电。
现在参考图12，其描述了根据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，锂离子电池)及其充电电路的一体式封装体(具有输入、输出和接地端子的3端子器件)的示意图。
图13描述了根据本发明一些实施例的、具有固态电池(例如，
17锂离子电池)及其充电电路的一体式封装体(具有输入、启动和/或停
止充电的控制信号、输出和接地端子的4端子器件)的示例性示意图。 现在参考图14，其描述了能量收集、调节和控制电路1800。电 路1400包括多个子系统或子电路。子系统1410包括在Regan Zane 等人的国际提交申请日为2006年10月23日、题为"SYSTEMS AND METHODS FOR RECEIVING AND MANAGING POWER IN WIRELESS DEVICES"的国际公开No. WO 2007/048052 (通过引用 将其并入于此)中详述的能量或功率转换电路。电路1410包括降压 升压转换器配置，该配置包括在晶体管Q2导通时被赋能(energize) 的电感器Ll。降压升压转换器可以用来维持相对恒定的充电电压。 在没有足够电压给电池充电时，包括晶体管Q6以及电阻器R8、 R9 和R10的电压比较器驱动切换以将电池与电压调节器断开连接。例 如，晶体管Q3A和Q6将使晶体管Q5B和Q3B截止，由此将电池 BT1和BT2与充电电路隔离。集成电路Ul用作电压调节器来监视和 控制充电器电压。
通过二极管D2将来自充电电路(包括太阳能电池PVll或其它 充电元件)的电压升压。电路1410要求阈值功率来被充电器禁用电 路1420启动(get initiated with )。当换能器电压变得在阈值之上时， Ql将导通，引起回流(backflow)通过路径到比较器U3的管脚2。 充电器禁用电路1420向应用电路提供表示存在足够功率来对电池充 电的指示。电路1820包括两个门开关Q5B和Q3B，其在电池不被充 电或没有足够功率对电池充电时用来选择性地维持电池BT1和BT2 的隔离并且维持零漏电流。在Jeffreys. Sather于2007年7月2日提 交的题为"THIN-FILM BATTERY RECHARGING SYSTEMS AND METHODS"的美国7>开No. 2008/0001577 Al (通过引用将其并入于 此)中进一步描述了电路1420。晶体管Q5A被用来向微控制器发送 表示没有功率要到达电池的信号以便监视和控制。电路1410和1420 结合来使得能够在所有组件都已经停止工作时利用来自电池的功率 重新启动充电电路。
18在示例性实施例中，电路1410包括低速振荡器1430 (例如，在大约500 Hz下工作)和高速振荡器1440。低速振荡器选通(gate)高速振荡器(开/关)并且有助于使输入阻抗与输出阻抗相匹配。在示例性实施例中，电路1410和1420的结合维持了若干功能，包括但不局限于隔离电池使其不能向充电电路放电、在因缺乏充电电压而使
预定阈值时将电池与负载隔离。在另一个示例性实施例中，图15描述了与图14类似的电路，但是具有改进的性能特性。例如，可变电阻器Rl9被用于低速振荡器电路中来精确微调振荡器频率。此举提供了在低的光照条件(light condition )下改进的效率。在非常低的光照条件下，可能出现如下情况电路将试图工作但是不具有足够的能量来对电池充电，由此随时间推移而耗尽电池。因此，将电容器C7从电路中去掉并且减小了电容器C8的值。此外，将二极管D7加到晶体管Ql的基极以提高晶体管的断路电压(trip voltage)。这些改进提供了保证在低光照条件中有足够的能量可用，使得电池将维持比能量输出更多的能量输入。
参考图14和图15， FET Q4A、电阻器R17和电阻器R18形成电压比较器，其中存在于R18和Q4B的结点处的电压被R18和R17分压并且被送到Q4A的栅极。R17和R18的分压比被设置为超出FETQ4A的VGS阈值电压，根据示例性实施例，在R18和Q4B的结点处具有3.6V或更大的电压。如果在Q4A栅极处的电压低于VGS阈值电压(电池电压为3.6V或更低)，贝'JQ4A将离开(come out of)其低阻态并且Q4A上的漏极电压将开始上升。随着Q4A的漏极电压上升，对于P沟道FETQ4B的栅极驱动电压被减少，并且Q4B的漏极将开始变得电阻更大，使得Q4A上的栅极驱动被减小，从而总的电路变得退化(degenerative )并且Q4A和Q4B都将截止。然后，截止的Q4B将使得输出应用电路负载与电池断开连接。
在图14中，在换能器具有足够的电压来使电压比较器Ql断路的任「何时^美，FET Q4A和Q4B将4皮导通并且应用电路也将,皮导通。
19在图15中，通过增加FETQ7A，只有当电池已经被充电或者有 足够多的能量可以用来对耗尽的电池充电时，FET Q4A和Q4B将被 导通并且应用电路也将被导通。该实现方式确保，无论何时功率对应 用电路可用，应用电路将总是具有完全充电的电池或足够能量的好 处。
图14的电路与图15的电路之间另外的差别包括电阻器R8和 R9更大，以便在强光照条件下电池被充满电而输出上没有负载时阻 止电压调节器U1的输出脱离调节(电压到高)。此外，由于增加Q7A 而改变了输出切断电路，使得直到电池几乎被充满电才启用(enable) 输出。此外，R21和C3连接到Q7A的栅极以防止输出在低光照条件 期间被开启(pulse on)。虽然描述且描绘了具有各种电路元件的各 种电路设计，但是虽然不是必需的也很可能，形成的电路在被付诸实 践时将在ASIC、微处理器或其它将维持类似功能性但是将要求不同 的硬件/软件实现方式的集成电路中。这样的电路设计不被视为脱离本 发明的范围。
现在参考图16，描绘了一般化的电池充电电路。电路可以用来 将电压Vcc从3V电平升压达到用来对电池充电的电平(例如4.1 V)。 基于脉宽调制器(PWM)的A/D可以被用作电荷泵，在图17中描绘 了其一个示例，以便与微控制器(电^>管理电路)结合来对输入的电 压升压。微控制器控制的电荷泵可以包括软件，其有助于将信号频率 调整到恰当的或足够的水平。在图18-29中提供的流程图中详述了这 样的软件。微控制器确保充电电压被维持在期望的输入电平处。
在一些实施例中，在ASIC中实现该电路，而在其它实施例中， 该电路使用 一个或多个分立的组件。
应当理解，以上描述意图为示例性的，而非限制性的。虽然在上 述描述中已经阐述了如在此描述的各种实施例的许多特征和优点加 之各种实施例的结构与功能的细节，但是许多其它实施例和对细节的 改变对于查看了以上描述的本领域技术人员将是清楚的。因此本发明 的范围应当参考所附的权利要求以及作为这种权利要求的等同物的全部范围来确定。在所附的权利要求中，术语"包括(including)"和"在其中(in which )"分别被用作相应的术语"包括(comprising )"和"其中(wherein)，，的简单易懂的英语等同物。此外，术语"第一，，、"第二"和"第三"等等仅仅被用作标注，而不意图对它们的
对象强加数值的要求。
虽然给出的详细附图、具体示例和特殊规定(formulation)描述了示例性实施例，但是他们仅仅用作示例。应当理解，在实施本发明时可以采用所描述的本发明实施例的各种替代方案。意图由随后的权利要求限定本发明的范围并且由此覆盖在这些权利要求及其等同物范围内的结构。所示出和描述的硬件和软件配置可以根据所选的计算和分析设备的性能特性和物理特性而不同。例如，所使用的计算设备、通信总线或处理器的类型可以不同。所示出和描述的系统不限于所公开的精确的细节和条件。所提供的方法步骤可以不限于它们被列
离本发明的范围。此外，可以对示例性实施例的设计、工作条件和布置进行其它替代、修改、改变和省略，而不脱离如所附权利要求表示的本发明范围。
权利要求
1、一种方法，包括以下步骤提供其上具有集成电路电池充电电路的第一衬底；将阴极材料、阳极材料和电解质层淀积到该衬底上；将该阴极材料与该阳极材料分隔以形成电池；将该充电电路连接到该电池；以及密封该电池和充电电路以形成表面贴装的一体式封装体。
2、 根据权利要求l所述的方法，其中该连接还包括 淀积具有至少 一个金属层的多层防潮层，其中该金属层被用来将该电池电连接到该充电电路。
3、 一种方法，包括以下步骤 提供第一衬底；将阴极材料、阳极材料和电解质层淀积到该衬底上； 将该阴极材料与该阳极材料分隔以形成电池； 使集成电路电池充电电路附接到该衬底上； 将该充电电路连接到该电池；以及 密封该电池和充电电路以形成表面贴装的一体式封装体。
4、 根据权利要求l所迷的方法，其中该连接步骤还包括 淀积具有至少一个金属层的多层防潮层，其中该金属层被用来将该电池电连接到该充电电路。
5、 一种装置，包括其上具有集成电路电池充电电路的第一衬底； 淀积在该衬底上以形成电池的阴极材料、阳极材料和将该阴极材 料与该阳极材料分隔的电解质层；其中该充电电路连接到该电池并且被密封以形成表面贴装的一 体式封装体。
6、 一种装置，包括 在一体式封装体中的器件，该器件包括 充电输入端子；功率输出端子； 接地端子；薄膜锂离子电池，其具有电连接到该接地端子的第一电接触件并 且具有第二电接触件；在该充电输入端子与该电池的第二电接触件之间提供选择性地 被启用的电连接的至少两个串联连接的晶体管；在该电池的第二电接触件与该功率输出端子之间提供选择性地 被启用的电连接的至少两个串联连接的晶体管；以及在该充电输入端子与该功率输出端子之间提供选择性地被启用 的电连接的至少两个串联连接的晶体管。
7、 根据权利要求6所述的装置，还包括第三晶体管，其与在该充电输入端子与该电池的第二电接触件之 间提供选择性地被启用的电连接的至少两个串联连接的晶体管串联 连接，其中根据外部施加的控制电压选择性地启用该第三晶体管。
8、 根据权利要求6所述的装置，其中所提到的所有晶体管都是单 个专用集成电路(ASIC)的部件。
9、 根据权利要求6所述的装置，其中所提到的晶体管中的至少一 些是分立部件。
10、 一种装置，包括在一体式封装体中的器件，该器件包括充电输入端子；功率输出端子；接地端子；薄膜锂离子电池，其具有电连接到该接地端子的第一电接触件并 且具有第二电接触件；至少两个串联连接的晶体管，其在该充电输入端子与该电池的第 二电接触件之间提供选择性地被启用的电连接；在该电池的第二电接触件与该功率输出端子之间提供选择性地 被启用的电连接的低正向电压降的(或肖特基)二极管；以及在该充电输入端子与该功率输出端子之间提供选择性地被启用 的电连接的低正向电压降的(或肖特基)二极管。
11、 一种功率转换系统，包括 可变充电源； 能量存储器件；充电电路，其耦合到该可变充电源和该能量存储器件，该能量存 储器件由该可变充电源来充电；能量存储器件隔离电路，其被配置为在来自该可变充电源的功率-低于预定的阈值时隔离该能量存储器件使其不能放电；以及重新启动电路，其被配置为在充电功率已经降到预定电平以下时 利用来自该能量存储器件的功率重新启动该充电电路。
12、 根据权利要求ll所述的功率转换系统，其中该可变充电源包 括至少一个太阳能电池。
13、 根据权利要求ll所述的功率转换系统，其中该可变充电源包 括至少一个热电发电机。
14、 根据权利要求ll所述的功率转换系统，其中该可变充电源包 括至少一个压电发电机。
15、 根据权利要求ll所述的功率转换系统，其中该可变充电源包 括至少一个磁耦合的运动发电机、至少一个微发电机、至少一个感应 发电机、至少一个燃料电池发电机或至少一个核衰变发电;f几中的至少 一个。
16、 根据权利要求ll所述的功率转换系统，其中该能量存储器件 包括薄膜电池。
17、 根据权利要求ll所述的功率转换系统，其中该能量存储器件 包括固态薄膜电池。
18、 根据权利要求ll所述的功率转换系统，其中该能量存储器件 包括基于LiPON的薄膜电池。
19、 根据权利要求ll所述的功率转换系统，其中该充电电路包括 降压升压转换器电路。
20、 根据权利要求ll所述的功率转换系统，其中该充电电路包括 与高速振荡器结合的低速振荡器。
21、 根据权利要求ll所述的功率转换系统，还包括 耦合到该能量存储器件的负载；以及切断电路，其耦合到该负载并且被配置为在预定的条件下将该负 载与该能量存储器件断开连接。
22、 一种功率转换的方法，包括使用耦合到可变充电源和能量存储器件的充电电路对该能量存储器件充电，由该可变充电源对该能量存储器件充电；在来自该可变充电源的功率低于预定的阈值时隔离该能量存储器件使其不能放电；以及在充电功率已经降到预定电平以下时利用来自该能量存储器件的功率重新启动该充电电路。
23、 根据权利要求22所述的方法，其中该可变充电源包括至少一个太阳能电池。
24、 根据权利要求22所述的方法，其中该可变充电源包括至少一个热电发电才几。
25、 根据权利要求22所述的方法，其中该可变充电源包括至少一个压电发电才几。
26、 根据权利要求22所述的方法，其中该可变充电源包括至少一个磁耦合的运动发电机、至少一个微发电机、至少一个感应发电机、至少一个燃料电池发电机或至少一个核衰变发电机中的至少一个。
27、 根据权利要求22所述的方法，其中该能量存储器件包括薄膜电池。
28、 根据权利要求22所述的方法，其中该能量存储器件包括固态薄膜电池。
29、 根据权利要求22所述的方法，其中该能量存储器件包括基于LiPON的薄膜电池。
30、 根据权利要求22所述的方法，其中该充电电路包括降压升压转换器电路。
31、 根据权利要求22所述的方法，其中该充电电路包括与高速振荡器结合的低速振荡器。
32、 根据权利要求22所述的方法，还包括在预定的条件下使用切断电路将负载与该能量存储器件断开连接。
33、 一种充电系统，包括可变充电源；能量存储器件；以及耦合到该可变充电源和该能量存储器件的充电电路，该能量存储器件由该可变充电源来充电，该充电电路包括电荷泵和控制该电荷泵的微控制器，该电荷泵将电荷升到预定的阈值并且该微控制器控制该电荷泵的输出使得该电荷泵的输出至少在可从该可变充电源中获得足够的充电功率的一段时间内维持相对稳定的输出电压。
34、 根据权利要求33所述的充电系统，其中该能量存储器件包括薄膜电池。
35、 根据权利要求33所述的充电系统，其中该能量存储器件包括固态薄膜电池。
36、 根据权利要求33所述的充电系统，其中该能量存储器件包括基于LiPON的薄膜电池。
37、 根据权利要求33所述的充电系统，其中该充电电路包括脉冲频率调制电路。
全文摘要
本申请提出了一种用于一体式电池和充电电路的方法和装置，包括其上具有集成电路电池充电电路的第一衬底以及淀积在该衬底上以形成电池的阴极材料、阳极材料和将该阴极材料与该阳极材料分隔的电解质层，其中该充电电路连接到电池并且被密封以形成表面贴装的一体式封装体。此外，提出了一种功率转换系统，其包括可变充电源和能量存储器件。该功率转换系统还包括耦合到该可变充电源和该能量存储器件的充电电路，该能量存储器件由该可变充电源来充电。此外，该系统包括能量存储器件隔离电路，其被配置为在来自该可变充电源的功率低于预定的阈值时隔离该能量存储器件使其不能放电。此外，该转换系统包括重新启动电路，其被配置为在充电功率已经降到预定电平以下时利用来自该能量存储器件的功率重新启动该充电系统。
文档编号H01M10/36GK101657916SQ200880008800
公开日2010年2月24日 申请日期2008年2月8日 优先权日2007年2月9日
发明者J·D·穆林, J·S·萨泽, R·L·罗伊森 申请人:西姆贝特公司