电源管理DCDC转换器以及用于感应能量收集器的方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102834998 A (43)申请公布日 2012.12.19 C N 1 0 2 8 3 4 9 9 8 A *CN102834998A* (21)申请号 201080065870.7 (22)申请日 2010.12.22 12/657,820 2010.01.28 US H02J 7/00(2006.01) H02J 15/00(2006.01) H02M 3/155(2006.01) (71)申请人德克萨斯仪器股份有限公司 地址美国德克萨斯州 (72)发明人 VV伊娃诺夫 (74)专利代理机构北京纪凯知识产权代理有限 公司 11245 代理人赵蓉民 (54) 。

2、发明名称 电源管理DC-DC转换器以及用于感应能量收 集器的方法 (57) 摘要 一种用于管理从包括线圈（4）的收集装置 （1）收集的AC能量的系统，其包括耦合在线圈 的第一（7A）和第二（7B）端子之间的切换电路 （S1-S4）。开关控制器（17）闭合第二和第四开关 以允许线圈中电流（I Lh ）的累积，打开第二和第四 开关中的一个，并且闭合第三和第一开关中相应 的一个以响应累积的电感器电流达到预定阈值 （I hrv ），从而引导累积的电感器电流穿过第三和第 一开关中相应的一个到达电流接收装置（24和/ 或R L ，C L ）。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2012。

3、.09.28 (86)PCT申请的申请数据 PCT/US2010/061818 2010.12.22 (87)PCT申请的公布数据 WO2011/093966 EN 2011.08.04 (51)Int.Cl. 权利要求书3页 说明书8页 附图7页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 3 页 说明书 8 页 附图 7 页 1/3页 2 1.一种用于管理从包括线圈的收集装置收集的AC能量的系统，所述系统包括： （a）在收集装置的第一和第二端子之间耦合的整流电路，所述整流电路包括第一切换 器件、第二切换器件、第三切换器件和第四切换器件，所述第一切换器件具有耦合于。

4、用于传 导整流电压的输出导体的第一电极和耦合于所述线圈的第一端子的第二电极，所述第二切 换器件具有耦合于所述线圈的所述第一端子的第一电极和耦合于参考电压的第二电极，所 述第三切换器件具有耦合于所述输出导体的第一电极和耦合于所述线圈的第二端子的第 二电极，所述第四切换器件具有耦合于所述线圈的所述第二端子的第一电极和耦合于所述 参考电压的第二电极；以及 （b）用于转换所述整流电压的电源管理电路，其包括开关控制电路，所述开关控制电 路具有分别耦合于所述线圈的第一和第二端子的第一和第二输入端以及分别耦合于所述 第一、第二、第三和第四切换器件的第一、第二、第三和第四输出端，所述开关控制电路闭合 第二和第。

5、四切换器件以允许所述线圈中电流的累积，打开所述第二和第四切换器件中的一 个，所述开关控制电路闭合所述第三切换器件和第一切换器件中相应的一个以响应累积的 电感器电流达到预定阈值，从而引导所述累积的电感器电流穿过所述第三和第一切换器件 中相应的一个到达电流接收装置。 2.根据权利要求1所述的系统，其中所述开关控制电路包括第一比较器，其具有耦合 于所述参考电压的反相输入端、耦合于所述线圈的所述第二端子的同相输入端和耦合以控 制所述第一和第二切换器件的输出端。 3.根据权利要求2所述的系统，其中所述开关控制电路包括第一反相器、第二比较器 和第二反相器，其中所述第一反相器具有耦合于所述第一切换器件的控制。

6、电极的输出端， 所述第二比较器具有耦合于所述参考电压的反相输入端、耦合于所述线圈的所述第一端子 的同相输入端和耦合以控制所述第四和第三切换器件的输出端，所述第二反相器具有耦合 于所述第三切换器件的所述控制电极的输出端。 4.根据权利要求3所述的系统，其中当所述线圈中的电流从线圈流过所述第四切换器 件时，所述第四切换器件具有促使在所述第二端子上产生第一电压的接通电阻，并且当线 圈中的电流从线圈流过第二切换器件时，所述第二切换器件具有促使在所述第一端子上产 生第二电压的接通电阻。 5.根据权利要求4所述的系统，其中当线圈中的电流在第一方向已经累积到足以促使 第一电压超出导致第一比较器改变状态的第一。

7、比较器的第一阈值时，所述第一比较器改变 状态以打开第四切换器件并闭合第三切换器件，从而引导线圈中的电流穿过所述第三切换 器件进入输出导体。 6.根据权利要求5所述的系统，其中当线圈中的电流减少到足以促使第一电压下降到 导致第一比较器改变状态的第一比较器的第二阈值以下时，所述第一比较器再次改变状态 以闭合第四切换器件并打开第三切换器件，从而允许穿过线圈的电流在第二方向的累积。 7.根据权利要求5所述的系统，其中当线圈中的电流在第二方向已经累积到足以促使 第二电压超过导致第二比较器改变状态的第二比较器的第一阈值时，所述第二比较器改变 状态以打开第二切换器件并闭合第一切换器件，从而引导线圈中的电流穿。

8、过第一开关进入 输出导体，并且其中当线圈中的电流减少到足以促使第二电压下降到导致第二比较器改变 状态的第二比较器的第二阈值以下时，第二比较器再次改变状态以闭合第二切换器件并打 权 利 要 求 书CN 102834998 A 2/3页 3 开第三切换器件，从而允许穿过线圈的电流在第一方向的累积。 8.根据权利要求1所述的系统，其包括： 耦合于用于传导负载电压的负载导体的负载， 第五切换器件，其具有耦合于线圈的第一端子的第一电极、耦合于所述负载导体的第 二电极和耦合于所述开关控制电路的控制电极， 第六切换器件，其具有耦合于线圈的第二端子的第一电极、耦合于负载导体的第二电 极和耦合于所述开关控制电路。

9、的控制电极，以及 所述开关控制电路在负载所需的负载电压低于电池电压的情况下操作用于闭合第五 和第六切换器件中的一个并闭合第一和第三开关中相应的一个以将电池能量传递到负载。 9.根据权利要求8所述的系统，其中如果所需的负载电压超过电池电压，则所述开关 控制电路操作用于将所述线圈和所述第一、第二、第三和第四切换器件配置为升压转换器， 并且如果所需的负载电压低于电池电压，则所述开关控制电路操作用于将所述线圈和第 一、第二、第三和第四切换器件配置为降压转换器。 10.根据权利要求1所述的系统，其包括： 耦合于用于传导负载电压的负载导体的负载， 第五切换器件，其具有耦合于线圈的第一端子的第一电极、耦合于。

10、所述负载导体的第 二电极和耦合于所述开关控制电路的控制电极， 第六切换器件，其具有耦合于线圈的第二端子的第一电极、耦合于所述负载导体的第 二电极和耦合于所述开关控制电路的控制电极，以及 所述开关控制电路在线圈中的能量可用的情况下操作用于闭合第五和第六切换器件 中的一个以将线圈中的能量传递给所述负载。 11.根据权利要求1所述的系统，其中所述收集装置将振动能量转换为收集的AC能量； 并且所述振动能量具有小于大约2000Hz的频率。 12.一种用于管理从包括线圈的收集装置收集的AC能量的方法，所述方法包括： （a）提供在所述收集装置的第一和第二端子之间耦合的切换电路，所述切换电路包括 第一、第二、。

11、第三和第四切换器件； （b）闭合所述第二和第四切换器件中的至少一个以允许电流在线圈中的累积；以及 （c）打开第二和第四切换器件中的一个并闭合第三和第一切换器件中相应的一个以响 应累积的电感电流达到预定阈值，从而引导累积的电感器电流通过第三和第一切换器件中 所述相应的一个到达电流接收装置。 13.根据权利要求12所述的方法，其包括： 将负载耦合于用于传导负载电压的负载导体，将第五切换器件耦合于线圈的第一端子 和所述负载导体之间，将第六切换器件耦合于线圈的第二端子和所述负载导体之间，以及 如果负载所需的负载电压低于电池电压，则操作开关控制电路以闭合第五和第六切换 器件中的一个，从而将电池能量传递给。

12、所述负载。 14.根据权利要求13所述的方法，其包括如果所需的负载电压超过所述电池电压，则 操作所述开关控制电路将所述线圈和所述第一、第二、第三和第四切换器件配置为升压转 换器，以及如果所需的负载电压低于所述电池电压，则操作所述开关控制电路将所述线圈 和所述第一、第二、第三和第四切换器件配置为降压转换器。 权 利 要 求 书CN 102834998 A 3/3页 4 15.根据权利要求12所述的方法，其包括： 将负载耦合于用于传导负载电压的负载导体，将第五切换器件耦合于线圈的第一端子 和所述负载导体之间，将第六切换器件耦合于线圈的第二端子和所述负载导体之间，以及 如果线圈中的能量可用以传递线圈。

13、的能量给负载，则操作开关控制电路以闭合第五和 第六切换器件中的一个以将电池的能量传递给负载。 16.一种用于管理从包括线圈的收集装置中收集的AC能量的系统，其包括： （a）耦合在所述收集装置的第一和第二端子之间的切换电路，所述切换电路包括第一、 第二、第三和第四切换器件； （b）用于闭合第二和第四切换器件以允许电流在线圈中累积的装置；以及 （c）用于响应累积的电感器电流达到预定阈值而打开第二和第四切换器件中的一个并 闭合第三和第一切换器件中相应一个从而引导累积的电感器电流通过第三和第一切换器 件中的相应一个到达电流接收装置的装置。 权 利 要 求 书CN 102834998 A 1/8页 5 。

14、电源管理 DC-DC 转换器以及用于感应能量收集器的方法 技术领域 0001 本发明一般涉及感应型能量收集器连同DC-DC转换器的使用，并且更具体地涉及 以及用于使用感应能量收集器的电感进行电感型能量收集以及用于执行能量收集器输出 的DC-DC转换的切换电路和方法。 背景技术 0002 感应型振动能量收集器1的基本结构如图1所示。其包括悬挂在弹簧2一端的质 量m和关联线圈或电感4。质量m和线圈4以速度v相对磁体5运动。弹簧2的另一端和 磁体5由支持部件6支撑。（伴随磁体的运动，线圈可以是静止的，反之亦然）。当线圈4和 关联质量m以速度v在磁场中运动时，他们的动能E k =(mv 2 )/2转换。

15、为弹簧2的势能，接着转 换成电磁能E Lh =e L =（L h L Lh 2 ）/2。线圈中的电动势e L 由线圈穿过磁场的运动速度v定义，并 由e L =-wBv给出，其中w是线圈的匝数，B是磁场密度，以及v是线圈4相对磁体5的速 度。此AC电流的频率是振动的频率，通常是60到120Hz，而且目前最先进的技术不超过大 约2000Hz。更为普遍地，待收集AC电流的最高频率不会超过电源管理电路中采用的开关的 切换频率的大约10倍。 0003 包括感应型能量收集器1的已知电源管理电路10在图2示出。电源管理电路10 还包括整流器和低压差（LDO）调节器。包括二极管S1、S2、S3和S4的无源整流。

16、器整流由感 应型能量收集器1在端子7A和7B之间产生的AC输出信号。二极管S1的阴极连接到V DD 并且其阳极通过端子7A连接到二极管S3的阴极，S3的阳极接地。二极管S2的阴极连接到 导体18。二极管S2的阳极通过端子7B连接到二极管S4的阴极，S4的阳极接地。过滤器 电容C0连接于V DD 和地之间。DC-DC转换器，如LDO调节器11连接在V DD 和地之间以在输出 导体12上产生调节的输出电压V CAP 。负载电容器C L 连接在输出导体12和地之间。LDO 11 包括连接在V DD 和输出导体12之间的P沟道晶体管M1。电阻R连接在V DD 和齐纳二极管D 的阴极之间，齐纳二极管D的。

17、阳极接地。电阻R和齐纳二极管D之间的结合点连接到晶体 管M1的栅极。 0004 感应型能量收集器1的输出阻抗和能量存储电路的输入电容形成通常具有大致 20秒时间常数的阻容网络，其决定存储电容器C L 上的电压上升得多快。因此，在低振动水 平下，在有足够能量获取振动谱并将其传递之前可能需要几分钟的时间。为避免这个问题， 图2中LDO调节器11的所有组成：电阻R2、齐纳二极管D5以及晶体管M1将大存储电容器 C L 与CO隔离。这允许更快建立电压V DD ，例如快30倍。 0005 由于整流器二极管中的损耗，图2中感应收集器电源管理系统10具有收集效率低 的缺点。另一个缺点是由于无法产生足够电压给。

18、滤波器电容CO充分充电，根本不允许在很 低振动水平（V DD V CAP ）下收集任何能量。 0006 现有技术图2中的电源管理系统10的效率能够通过使用包括电感器的DC-DC转 换器得到提高，并且能够通过选择现有技术图3A和3B所示的升压型DC-DC转换器提高低 振动水平下的收集能力。 说 明 书CN 102834998 A 2/8页 6 0007 在图3A中，现有技术电源管理电路15-1包括例如图1所示的感应型能量收集器 1。包括二极管S1、S2、S3和S4的无源整流器整流由感应型能量收集器1在其端子7A和 7B之间产生的AC（交流）输出信号。二极管S1的阴极连接到导体18，其阳极通过导体。

19、7A 连接到二极管S2的阴极，二极管S2的阳极接地。二极管S3的阴极连接到导体18。二极管 S3的阳极通过导体7B连接到二极管S4的阴极，二极管S4的阳极接地。过滤器电容C0连 接在导体18和地之间。 0008 电源管理电路15-1还包括具有电感器L1、开关S5、二极管S6以及开关控制电路 17的升压转换器电路。电感器L1的第一端子被连接用于接收由能量收集器1和无源整流 器S1、S2、S3和S4在导体18上产生的整流电压V L1 。V L1 还施加到开关控制电路17的输入 端。电感器L1的另一端子通过导体16连接到开关S5的一端和二极管S6的阳极。开关S5 的另一端接地。开关S5的控制电极通过。

20、导体14连接到开关控制电路17的输出端。 0009 图3B示出图3A的电源管理系统15-1的更详细实施15-2。在图3B中，现有技术电 源管理系统15-2包括如图3A连接的感应或振动收集器1和无源整流器S 1、S2、S3和S4。 图3B中的开关控制电路17包括比较器A0，其反相输入端被耦合用于接收阈值电压V hrv ，其 非反相/同相输入端连接用于接收导体18上的V L1 ，从而当V L1 超过V hrv 时，发生DC-DC升 压转换器电路的升压操作。比较器A0的输出端连接到逻辑电路13的输入端。逻辑电路13 的另一个输入端接收由常规电压感测电路提供的“充电电池”或“电池满”输入信号。在图 3。

21、B中，开关S5的较低端耦合到电流传感器13的一端，电流传感器13的另一端接地。电流 传感器13的输出连接到比较器A1的反相输入端，比较器A1在其非反相输入端接收参考阈 值I max 。比较器A1的输出端连接到逻辑电路13的另一输入端。逻辑电路13的输出端由导 体14连接到开关S5的控制电极。图3A所示的二极管S6在图3B中通过同步整流器的方 式实施，该同步整流器包括耦合在输出导体19和导体16之间的开关S6，开关S6的控制电 极耦合到比较器A2的输出端，其中比较器A2的反相输入端连接到输出导体19，非反相输入 端连接到感应器端16。 0010 现有技术图3A和图3B的电源管理系统使用升压转换器。

22、替换现有技术图2中的 LDO调节器。图3A和图3B的电源管理系统15-1和15-2需要电感器（L1），其通常是大的 且昂贵的外部元件。图3A和图3B的系统的缺点还包括过压以及无源整流器S1、S2、S3和 S4四个二极管中存在功率损耗以及（3）。而且，电池和负载之间将需要另一个DC-DC转换 器或LDO调节器来提供调节的电源电压。 0011 相关背景也在题为“Buck-Boost Switching Regulator.”的美国专利6275016中 描述。 0012 因此，在用于转换感应型能量收集器所产生的AC输出的DC-DC转换器中，存在对 所使用的线圈或电感器进行改善的需求。 发明内容 00。

23、13 示例实施例提供用于管理从收集装置（1）收集的AC能量的系统，该系统包括线圈 （4），包括耦合在线圈（4）的第一端子（7A）和第二端子（7B）之间的切换电路（S1-S4）。切换 电路包括第一（S1）、第二（S2）、第三（S3）和第四（S4）开关。开关控制器（17）闭合第二和第 四开关以允许电流（I Lh ）在线圈中的累积，打开第二和第四开关中的一个，并且闭合第三和 说 明 书CN 102834998 A 3/8页 7 第一开关中相应的一个，作为对累积的电感器电流达到预定阈值（I hrv ）的响应，从而引导累 积的电感器电流穿过第三和第一开关中相应的一个到达电流接收装置（24和/或R L ，。

24、C L ）。 0014 一个实施例提供用于对从具有线圈（4）的收集装置（1）收集的AC能量进行管理 的系统（15-3、15-4、15-5），该系统包括耦合于收集装置（1）的第一端子（7A）和第二端子 （7B）之间的整流电路（S1-S4）。整流电路（S1-S4）包括第一切换器件（S1）、第二切换器件 （S2）、第三切换器件（S3）和第四切换器件（S4），第一切换器件（S1）具有耦合于传导整流电 压（V Lh ）的输出导体（18）的第一电极和耦合于线圈（4）的第一端子（7A）的第二电极，第二 切换器件（S2）具有耦合于线圈（4）的第一端子（7A）的第一电极和耦合于参考电压（GND）的 第二电极，第。

25、三切换器件（S3）具有耦合于输出导体（18）的第一电极和耦合于线圈（4）的第 二端子（7B）的第二电极，第四切换器件（S4）具有耦合于线圈（4）的第二端子（7B）的第一 电极和耦合于参考电压（GND）的第二电极。用于转换整流电压（V Lh ）的DC转换电路包括开 关控制电路（17），其具有分别耦合于线圈（4）的第一端子（7A）和第二端子（7B）的第一和第 二输入端和分别耦合于第一切换器件（S1）、第二切换器件（S2）、第三切换器件（S3）和第四 （S4）切换器件的第一输出端（20-1）、第二输出端（20-2）、第三输出端（20-3）和第四（20-4） 输出端。DC转换电路通过下列方式转换整流电。

26、压（V Lh ）：闭合切换器件的第二切换器件（S2） 和第四切换器件（S4）以允许线圈（4）中电流（I Lh ）的累积，打开第二切换器件（S2）和第四 （S4）切换器件中的一个以及闭合第三切换器件（S3）和第一切换器件（S1）中相应的一个以 响应累积的电感器电流（I Lh ）达到预确阈值（I hrv ），以便引导累积的电感器电流穿过第三切 换器件（S3）和第一切换器件（S1）中相应的一个到达电流接收装置（24和/或R L ，C L ）。 0015 在描述的实施例中，DC转换电路用于提高整流电压（V Lh ）。在另一个描述的实施例 中，DC转换电路用于降低整流电压（V Lh ）。 0016 在描。

27、述的实施例中，开关控制电路（17）包括第一比较器（A1），其具有耦合于参考 电压（GND）的反相输入端，耦合于线圈（4）的第二端子（7B）的同相输入端以及耦合以控制 第一切换器件（S1）和第二切换器件（S2）的输出端（20-2）。在一个实施例中，开关控制电 路（17）包括第一反相器（22）、第二比较器（A0）和第二反相器（23），其中第一反相器（22）具 有耦合于第一（S1）切换器件的控制电极（20-1）的输出端，第二比较器（A0）具有耦合于参 考电压（GND）的反相输入端、耦合于线圈（4）的第一端子（7A）的同相输入端以及耦合以控 制第四（S4）和第三（S3）切换器件的输出端（20-4），第。

28、二反相器（23）具有耦合于第三切换 器件（S3）的控制电极（20-3）的输出端。当线圈（4）中的电流（I Lh ）从线圈流过第四切换器 件（S4）时，第四切换器件（S4）具有促使在第二端子（7B）上产生第一电压（V 4 ）的接通电阻 （R ON ），并且其中当线圈（4）中的电流（I Lh ）从线圈流过第二切换器件（S2）时，第二切换器件 （S2）具有促使在第一端子（7A）上产生第二电压（V 2 ）的接通电阻（R ON ）。 0017 在一个实施例中，当线圈（4）中的电流（I Lh ）在第一方向已经累积到足以促使第一 电压（V 4 ）超过导致第一比较器（A1）改变状态的第一比较器（A1）的第一阈。

29、值时，第一比较 器（A1）改变状态以打开第四切换器件（S4）并闭合第三切换器件（S3），从而引导线圈（4） 中的电流（I Lh ）穿过第三切换器件（S3）进入输出导体（18）。当线圈（4）中的电流（I Lh ）减 少到足以促使第一电压（V 4 ）下降到导致第一比较器（A1）改变状态的第一比较器（A1）的第 二阈值以下时，第一比较器（A1）再次改变状态以闭合第四切换器件（S4）和打开第三切换 器件（S3），从而允许在穿过线圈（4）的电流（I Lh ）在第二方向的累积。当线圈（4）中的电流 说 明 书CN 102834998 A 4/8页 8 （I Lh ）在第二方向已经累积到足以促使第二电压（V。

30、 2 ）超过导致促使第二比较器（A0）改变状 态的第二比较器（A0）的第一阈值时，第二比较器（A0）改变状态以打开第二切换器件（S2） 并闭合第一切换器件（S1），从而引导线圈（4）中的电流（I Lh ）穿过第一开关（S1）进入输出 导体（18）。当线圈（4）中的电流（I Lh ）减少到足以促使第二电压（V 2 ）下降到导致第二比较 器（A0）改变状态的第二比较器（A0）的第二阈值以下时，第二比较器（A0）再次改变状态以 闭合第二切换器件（S2）和打开第三切换器件（S1），从而允许穿过线圈（4）的电流（I Lh ）在 第一方向的累积。 0018 在一个实施例中，负载（R L ，C L ）耦合于。

31、用于传导负载电压（V LOAD ）的负载导体（35）。 第五切换器件（S5）具有耦合于线圈（4）的第一端子（7A）的第一电极、耦合于负载导体（35） 的第二电极以及耦合于开关控制电路（1 7，17A）的控制电极。第六切换器件（S6）具有耦合 于线圈（4）的第二端子（7B）的第一电极、耦合于负载导体（35）的第二电极以及耦合于开关 控制电路（17A）的控制电极。若负载（R L ，C L ）所需的负载电压（V LOAD ）低于电池电压（V BAT ）， 则开关控制电路（17A）操作用于闭合第五（S5）和第六（S6）切换器件中的一个或另一个，以 便将电池（24）中的能量传递到负载（R L ，C L 。

32、）。 0019 在一个实施例中，负载（R L ，C L ）耦合于用于传导负载电压（V LOAD ）的负载导体（35）。 第五切换器件（S5）具有耦合于线圈（4）的第一端子（7A）的第一电极、耦合于负载导体（35） 的第二电极以及耦合于开关控制电路（17A）的控制电极。第六切换器件（S6）具有耦合于线 圈（4）的第二端子（7B）的第一电极、耦合于负载导体（35）的第二电极以及耦合于开关控制 电路（17A）的控制电极。如果线圈（4）中的能量可用于从线圈（4）传递到负载（R L ，C L ），则 开关控制电路（17）操作用于闭合第五（S5）和第六（S6）切换器件中的一个或另一个。 0020 在一个实。

33、施例中，如果所需的负载电压（V LOAD ）超过电池电压（V BAT ），则开关控制电 路（17A）操作于将线圈（4）和第一（S1）、第二（S2）、第三（S3）和第四（S4）切换器件配置为 升压转换器，并且如果所需的负载电压（V LOAD ）低于电池电压（V BAT ），则开关控制电路（17A） 操作于将线圈（4）和第一（S1）、第二（S2）、第三（S3）和第四（S4）切换器件配置为降压转换 器。 0021 一个实施例提供用于管理从具有线圈（4）的收集装置（1）收集的AC能量的方 法，该方法包括提供耦合在线圈（4）的第一端子（7A）和第二端子（7B）之间的切换电路 （S1-S4），切换电路（S。

34、1-S4）包括第一（S1）、第二（S2）、第三（S3）和第四（S4）切换器件；闭 合第二（S2）和第四（S4）切换器件以允许电流（I Lh ）在线圈（4）中的累积；以及打开第二 （S2）和第四（S4）切换器件中的一个并且闭合第三（S3）和第一（S1）切换器件中相应的一 个以响应累积的电感器电流（I Lh ）达到预定阈值（I hrv ），从而引导累积的电感器电流（I Lh ）穿 过第三（S3）和第一（S1）切换器件中相应一个到达电流接收装置（24和/或R L ，C L ）。 0022 在一个实施例中，该方法包括将负载（R L ，C L ）耦合于用于传导负载电压（V LOAD ）的 负载导体（35。

35、），将第五切换器件（S5）耦合于线圈（4）的第一端子（7A）和负载导体（35）之 间，将第六切换器件（S6）耦合于线圈（4）的第二端子（7B）和负载导体（35）之间，以及若所 需要的负载电压（V LOAD ）低于电池电压（V BAT ），则操作开关控制电路（17A）闭合第五切换器件 （S5）和第六切换器件（S6）中的一个，以便将电池（24）能量传递给负载（R L ，C L ）。 0023 在一个实施例中，该方法包括，若所需要的负载电压（V LOAD ）超过电池电压（V BAT ）， 则操作开关控制电路（17A）将线圈（4）和第一（S1）、第二（S2）、第三（S3）和第四（S4）切换 说 明 书。

36、CN 102834998 A 5/8页 9 器件配置为升压转换器，若所需要的负载电压（V LOAD ）低于电池电压（V BAT ），则操作开关控制 电路（17A）将线圈（4）和第一（S1）、第二（S2）、第三（S3）和第四（S4）切换器件配置为降压 转换器。 0024 在一个实施例中，该方法包括：将负载（R L ，C L ）耦合于用于传导负载电压（V LOAD ）的 负载导体（35），将第五切换器件（S5）耦合于线圈（4）的第一端子（7A）和负载导体（35）之 间，将第六切换器件（S6）耦合于线圈（4）的第二端子（7B）和负载导体（35）之间，以及若线 圈（4）中的能量可用于从线圈（4）传递到。

37、负载（R L ，C L ），则操作开关控制电路（17）闭合第五 （S5）和第六（S6）切换器件中的一个或另一个，从而将电池（24）的能量传递给负载（R L ，C L ）。 0025 一个实施例提供用于管理从收集装置（1）收集的AC能量的系统，该系统包括线 圈（4），包括耦合于收集装置（1）的第一端子（7A）和第二端子（7B）之间的有源整流电路 （S1-S4），有源整流电路（S1-S4）包括第一（S1）、第二（S2）、第三（S1）和第四（S4）切换器件； 用于闭合第二（S2）和第四（S4）切换器件以允许电流（I Lh ）在线圈（4）中累积的装置（17）； 以及用于响应累积的电感器电流（I Lh 。

38、）达到预定阈值（I hrv ）而打开第二（S2）和第四（S4）切 换器件中的一个并且闭合第三（S3）和第一（S1）切换器件中相应的一个的装置（17），从而 引导累积的电感器电流（I Lh ）穿过第三（S3）和第一（S1）切换器件中相应一个到达电流接收 装置（24和/或R L ，C L ）。 附图说明 0026 本发明参考附图描述了示例实施例，在附图中： 0027 图1是常规感应振动能量收集器装置的简化示意图。 0028 图2是如图1所示的感应收集器的现有电源管理电路的示意图。 0029 图3A是包括振动微型收集器和升压转换器的现有电源管理电路的简化示意图。 0030 图3B是图3A中现有电源管。

39、理电路的更详细示意图。 0031 图4A是本发明的感应收集电源管理电路的框图。 0032 图4B是图4A感应收集器电源管理电路的示意图。 0033 图4C是有益于解释说明图4B中所示电路的操作的曲线图。 0034 图5A是本发明的另一感应收集器电源管理电路的示意图。 0035 图5B是有益于解释说明5A中所示电路的操作的曲线图。 具体实施方式 0036 之前提到的现有技术图3A和3B系统的前两个问题（即，DC-DC转换器中大电感器 的要求和过电压、电源通过无源整流器二极管的损失）能够通过提供有源整流器来解决，其 中有源整流器包括替换二极管S1、S2、S3、S4的同步开关，还包括如图4A和4B所。

40、示种类的 开关控制器。 0037 参考图4A，电源管理系统15-3包括耦合在导体18和线圈4（也称为电感器4）的 端子7A之间的开关S1。电感器4的端子7A还连接到电流传感器26的端子和开关控制器 17的输入端。电流传感器26的输出端通过导体28连接到开关控制器17的另一输入端。 开关S2耦合在电流传感器26的另一端子47和地之间。类似地，开关S3耦合在导体18和 电感器4的端子7B之间。电感器4的端子7B还连接到电流传感器27的一个端子和开关 说 明 书CN 102834998 A 6/8页 10 控制器17的另一输入端。电流传感器27的输出端通过导体29连接到开关控制器17的另 一输入端和。

41、开关S4的端子48，开关S4的另一端子接地。开关控制器17的低侧电源电压端 接地。开关控制器17的高侧电源电压端（未示出）可以连接到导体18或其他可用的电源。 0038 开关控制器17分别接收电感器端子7A和7B上的电压V2和V4，也接收导体28和 29上的电流传感器输出信号，并由此分别通过导体20-1、20-2、20-3和20-4上的控制信号 控制开关S1、S2、S3和S4。整流电压V Lh 在导体18上生成并施加于电池或负载（未示出）。 开关S1、S2、S3和S4由开关控制器17控制以便像同步整流器一样起作用。（典型的同步整 流器包括开关，开关的两个主要端子分别连接到比较器的输入端，同步整。

42、流器的输出端连 接到开关的控制端子）。 0039 开关控制器17还确定开关S1-S4的操作，以便控制所收集的AC电流I Lh 的传递从 而为充电电池24产生整流的DC输出电压V Lh 或向负载设备提供电流。首先，响应使线圈4 相对磁体5运动的振动而闭合开关S2和S4中的一个以允许穿过线圈4的电压增加（电动 势）。接着，测量该电压V Lh 。然后，闭合与开关S2和S4中打开的开关相对的开关S2或S4， 引起通过线圈4的电流I Lh 的累积（build up）。通过接通开关S1和断开S2或接通S2和断 开S4，累积的电感器电流I Lh 被引导到导体18和电池24或负载设备。 0040 一种可替换的。

43、调整方式是保持开关S2和S4接通（即，闭合）并通过电流传感器26 或电流传感器27测量流过它们的电感器电流I Lh 。当I Lh 达到最大值或预定值时，根据电感 器电流I Lh 的方向，通过切换S1/S2开关对或S3/S4开关对（即，通过断开S2并接通S1或断 开S4并接通S3）将电流I Lh 引导到电池24。 0041 当电感器电流I Lh 下降到0或其他预定值时，开关控制器17停止切换（toggling） 并返回到开关S2和S4中的一个接通的操作。重复该过程以根据振动幅度和控制模式允许 在相同方向或相反方向的电压升高，以响应外界的振动，然后引导电感器电流I Lh 经由开关 S3或S1中适当。

44、的一个到达电池25。 0042 在图4A中，开关控制器17可以设计成在电压模式或电流模式下工作。在电压模 式下，以上提到的穿过电感器4的电压（即，电动势）由e L =-wBv给出，其中w是匝数，B是磁 场密度，v是线圈4相对磁体5的速度。根据电压e L 的极性，开关控制器17闭合开关S2和 S4中的一个。当电压V 2 或V 4 达到峰值或预定值（例如，接近电池电压）时，开关控制器17 开始切换与闭合的开关S2或S4相对的开关。当开关S2和S4两者都闭合时，电感器电流 I Lh 根据dI Lh /dt=e L /L 1 开始上升，L 1 是线圈4的电感。当开关S2和S4中的一个如开关S2 断开时。

45、，电感器电流流过这两个开关中的另一个，并且也流过开关S3，到达电池24。在此时 间期间，电感器电流I Lh 根据dI Lh /dt=-（V BAT -e L ）/L 1 下降，V BAT 是电池24的电压。 0043 在电压模式下，测量电压V 2 或V 4 ，并且当其中的一个电压由于电感器电流I Lh 流过 开关S2和S4中的一个的原因而达到预定阈值电平或峰值电平时，开关控制器17根据线圈 4中电感器电流I Lh 的极性切换开关S1和S3中的一个，以将来自线圈4的能量传递到电池 24或负载。 0044 在以上提到的电流模式中，开关S2和S4两者都被接通。被短路线圈4穿过磁体 5的磁场的运动在电。

46、感器4中生成电流I Lh =e L dt。当电感器电流I Lh 达到其峰值或预定 值时，开关控制器17根据电感器电流I Lh 的极性切换开关S1和S3中的一个，从而将来自线 圈4的电感器能量E Lh =（L 1 I Lh 2 ）/2传递到电池24或负载。 说 明 书CN 102834998 A 10 7/8页 11 0045 图4B示出图4A中电源管理系统15-3的另一个实施15-4。在图4B中，除了省略 电流传感器26和27并显示开关控制器17的细节外，开关S1、S2、S3和S4通常如图4A所 示连接。开关控制器17包括反相器22，反相器22的输出端通过导体20-1连接到开关S1 的控制端子。

47、。反相器22的输入端通过导体20-2连接到开关S2的控制端子和迟滞比较器 A1的输出端，迟滞比较器A1的反向输入端接地。迟滞比较器A1的同相输入端连接到电感 器端子7B。反相器23的输出端通过导体20-3连接到开关S3的控制端子。反相器23的输 入端通过导体20-4连接到开关S4的控制端子和迟滞比较器A0的输出端。迟滞比较器A0 的反相输入端接地，并且其同相输入端连接到电感器端子7A。比较器A0和比较器A1中的 每个可以是常规滞后（即，迟滞）比较器。电池（和/或负载）连接在导体18和地之间。 0046 最初，图4B中的开关控制器17闭合开关S2和S4以将线圈端子7A和7B短路接 地，从而短路线。

48、圈4，使得振动的动能转换为电感器4中的磁能。开关S1-S4“接通”电阻两 端的压降与电流成正比，并且当图4C中段31-1所表示的电感器电流I Lh 幅值达到虚线32 表示的阈值I hrv ，之后下降到如段31-2所表示的零时，滞后比较器A0和A1会改变状态。之 后，电感器电流I Lh 又开始增加，如图4C中显示的第二段31-1所示。图4C中还显示了针对 图4A和图4B中的电源管理系统15-3和15-4的操作的不同部分开关S1-S4的状态。 0047 更具体地，图4B中的开关控制器17确定开关S1-S4的操作以控制收集的AC信号 I Lh 的同步整流及其至DC输出V Lh 的升压和转换以为电池2。

49、4或负载设备充电。当电感器电 流I Lh 的幅值达到阈值I hrv 时，（或-I hrv 时），比较器A0（A1）断开开关S4并接通开关S3（或 者，比较器A1断开开关S2并接通开关S1），并且最初存储在线圈4中的振动能量被传递给 电池24，如同图4C所示通过导体18施加到电池24的电压V Lh 的波形和收集的电感器电流 I Lh 的波形。 0048 例如，闭合开关S2和S4以允许电感器电流I Lh 的增加（buildup-up）以响应使线 圈4相对磁体5运动的振动。对于图4B所示电感器电流的方向，电感器电流I Lh 的累积之 后通过开关S4“接通”电阻R ON 上产生的电压值V 4 实际测量。当V 4 超出比较器A1的第一 阈值时，比较器A1改变状态。这促使开关S4断开，并且也促使反相器23闭合相应的开关 S3，从而引导累积的电感器电流I Lh 穿过导体18到达电池24。随着电感器电流I Lh 流入电 池24，其值逐渐下降到零，并且导致窗口比较器A1的重新设置，从而开关S3断开且开关S4 闭合。这允许电感器电流I Lh 在相反方向或负方向的增加以响应外界振动。 0049 之后，。