[发明专利]电源管理DC-DC转换器以及用于感应能量收集器的方法

说明书

技术领域

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

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=(mv²)/2转换为弹簧2的势能，接着转换成电磁能E_Lh=e_L=（L_hL_Lh²）/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=-w×B×v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。

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。

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。

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。

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。

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。

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的控制电极通过导体14连接到开关控制电路17的输出端。