本申請是申請日為2010年3月19日，發(fā)明名稱為“用于從壓電振動采集器提取最大電力的轉(zhuǎn)換器及方法”，申請?zhí)枮?01080065534.2的發(fā)明專利申請的分案申請。
本發(fā)明大體上涉及電力從壓電振動采集器到dc/dc轉(zhuǎn)換器的有效傳送，且更特定來說，涉及一種用于從壓電采集器有效地接收最大量的電力的經(jīng)改進dc/dc轉(zhuǎn)換器電路。
背景技術(shù)：
近來，已開發(fā)出需要極低量的操作電流的各種極低功率的集成電路(通常稱為“納米功率”集成電路)，其可由借助于微能量采集裝置從周圍的太陽能源、振動能源、熱能源及/或生物能源搜集或采集的非常少量的電力來供電。所采集的電力接著通常被存儲在電池或超級電容器中。(如本文中所使用的術(shù)語“納米功率”意在涵蓋汲取小于約1微安的dc電流的電路及/或電路組件。)
圖1a展示能量采集系統(tǒng)1-1，其包括常規(guī)的壓電采集器2、有源整流器電路3及用于給電池或超級電容器6及/或負載(未圖示)充電的dc/dc轉(zhuǎn)換器4，所述dc/dc轉(zhuǎn)換器4包括開關(guān)控制及pwm(脈寬調(diào)制)電路9。整流器電路3包括四個開關(guān)s1到s4、兩個比較器a0和a1以及兩個反相器22和23。有源整流器電路3在導(dǎo)體18上產(chǎn)生采集電壓vhrv，所述采集電壓vhrv被施加到dc/dc轉(zhuǎn)換器4的開關(guān)控制和pwm電路9的輸入。dc/dc轉(zhuǎn)換器4產(chǎn)生輸出電壓和輸出電流，其由導(dǎo)體5供應(yīng)到電池6。比較器a1的(+)輸入控制開關(guān)s1和s2的控制端子，且比較器a0的(+)輸入控制開關(guān)s3和s4的控制端子。如圖1b中所指示，可將采集器2模型化為正弦電流源、內(nèi)部電容cpiezo及內(nèi)部電阻rpiezo的并聯(lián)連接。
任選的濾波電容器c0可連接在導(dǎo)體18與接地之間。壓電能量采集器總有輸出電容cpiezo，其不一定比c0小，這要視所使用的采集器的牌子或種類而定。通常，圖1a中的dc/dc轉(zhuǎn)換器4的將能量從導(dǎo)體18傳送到電池6的效率是80％到90％。
參考圖2，波形表示跨越壓電采集器2的實際電壓vp(t)。+vhrv和-vhrv為dc/dc轉(zhuǎn)換器的閾值電壓，其可由最大功率點跟蹤(mppt)電路(未圖示)來確定。對于小于+vhrv的vhrv值來說，dc/dc轉(zhuǎn)換器4處于不轉(zhuǎn)換vhrv的“關(guān)閉”狀態(tài)，且振動能量由于采集器輸出電容cpiezo的再充電而被浪費。
對于介于+vhrv和-vhrv之間的采集器輸出電壓vp(t)值來說，由壓電采集器2產(chǎn)生的能量被電容cpiezo的充電和放電浪費。(注意，電容器c0連接到整流器3的輸出并因此不被壓電采集器2充電和放電。)所述能量在圖2中所展示的vp(t)波形的轉(zhuǎn)變b的時間t0與t2之間的時間間隔期間被損耗。在有源整流器3的輸入處的電壓電平+vhrv和-vhrv期間，振動能量給cpiezo再充電，但是所述能量無法被dc/dc轉(zhuǎn)換器4收集并因此被浪費。具有圖1a中所展示的結(jié)構(gòu)的壓電采集器能夠?qū)嶋H上收集從壓電采集器2可得的能量的不到1/3。參看由e·李菲佛(e.lefeuvere)、a·巴戴爾(a.badel)、c·理查德(c.richard)、l·貝蒂(l.petit)及d·紀(jì)堯瑪(d.guyomar)所著的文章“用于單機系統(tǒng)的幾臺由振動供電的壓電發(fā)電機之間的比較(acomparisonbetweenseveralvibration-poweredpiezoelectricgeneratorsforstand-alonesystems)”(2005年，科學(xué)指導(dǎo)-傳感器與致動器(sciencedirect,sensorsandactuators)a126(d006)405-416，可在www.sciencedirect.com網(wǎng)站上找到)；尤其參看圖6和7。
在能量可進入采集器輸出電容cpiezo和濾波器電容c0之前，跨越壓電采集器2的電壓vp(t)應(yīng)達到dc/dc轉(zhuǎn)換器4的輸入閾值+vhrv。在當(dāng)前振動半循環(huán)結(jié)束及下一個振動半循環(huán)開始時，包括cpiezo在內(nèi)的總采集器輸出電容必須被再充電達到-vhrv。此再充電能量(即，隨后提到的cv2能量)是由機械振動源及接收所述振動的壓電采集器2供應(yīng)的，但所述再充電能量在每個振動循環(huán)中都被浪費。
一般來說，為了最大化從壓電采集器2到dc/dc轉(zhuǎn)換器4中的能量傳送，壓電采集器2的等效輸出阻抗應(yīng)該與dc/dc轉(zhuǎn)換器4的輸入阻抗匹配。dc/dc轉(zhuǎn)換器4的輸入阻抗等于
zin～vhrv/il0(average)，
其中il0(average)為通過dc/dc轉(zhuǎn)換器4的電感器l0的平均電流。這意味著vhrv的振幅應(yīng)與振動振幅成比例，且因此無法通過選擇較小vhrv而使來自收集的能量的浪費量最小化(因為所浪費的能量的量cv2/2是與跨越電容的電壓的平方成比例的)。
為了避免在將其總輸出電容cpiezo從+vhrv切換到-vhrv時必須浪費來自壓電采集器2的cv2能量，可使用一項已知技術(shù)來增加從壓電采集器所收集的能量的量。此項技術(shù)是跨越壓電采集器2連接開關(guān)并且簡單地使其在圖2中的時間t0處短路直到電壓vp(t)穿過零為止。此項與耗散可收集的能量相違背的技術(shù)可改進電池6的充電量，因為來自壓電采集器2的所浪費的能量的量降低了1/2。這避免了需要浪費cv2能量來給cpiezo再充電。另外，使用與前述開關(guān)串聯(lián)的大型電感器可進一步增強從壓電采集器到電池的電力傳送的效率。
因此，有一個未滿足的需要：一種用于從壓電能量采集器提取最大量的電力的經(jīng)改進電路和方法。
還有一個未滿足的需要：一種避免在現(xiàn)有壓電能量采集系統(tǒng)中浪費大量電力的壓電能量采集系統(tǒng)的經(jīng)改進實施方案。
還有一個未滿足的需要：一種用于在不使用額外開關(guān)及/或電感器的情況下增加壓電能量采集系統(tǒng)的效率的電路和方法的經(jīng)改進實施方案。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的一個目的是提供一種避免在現(xiàn)有壓電能量采集系統(tǒng)中浪費大量電力的壓電能量采集系統(tǒng)的經(jīng)改進實施方案。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用于在不使用額外開關(guān)及/或電感器的情況下增加壓電能量采集系統(tǒng)的效率的電路和方法的經(jīng)改進實施方案。
簡要地描述，且根據(jù)一個實施例，本發(fā)明提供一種用于將采集的振動能量有效地傳送到電池(6)的系統(tǒng)(1-2)。所述系統(tǒng)包括產(chǎn)生ac輸出電壓(vp(t))及電流(ipz(t))的壓電采集器(2)及用以產(chǎn)生給電容(c0)充電的采集dc電壓(vhrv)及電流(ihrv)的有源整流器(3)。當(dāng)整流器的控制整流器的開關(guān)(s1到s4)的比較器(a0、a1)檢測到ac輸出電流(ipz(t))的方向反轉(zhuǎn)時，啟用電路(17)致使dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)被啟用，進而使電容放電到轉(zhuǎn)換器中。當(dāng)dc電壓超出閾值(vref)時，另一比較器(13)致使啟用電路(17)停用轉(zhuǎn)換器(4)，進而致使電容被再充電。
在一個實施例中，本發(fā)明提供一種耦合到振動源的壓電能量采集系統(tǒng)(1-2)。壓電能量采集系統(tǒng)(1-2)包括用于產(chǎn)生表示從振動源所采集的能量的輸出電壓(vp(t))及輸出電流(ipz(t))的壓電采集器(2)。有源整流器(3)包括串聯(lián)耦合在采集器輸出導(dǎo)體(18)與第一參考電壓(gnd)之間的第一(s1)及第二(s2)開關(guān)以及串聯(lián)耦合在采集器輸出導(dǎo)體(18)與第一參考電壓(gnd)之間的第三(s3)及第四(s4)開關(guān)。第一比較器(a0)控制第三(s3)和第四(s4)開關(guān)，且第二比較器(a1)控制第一(s1)和第二(s2)開關(guān)。壓電采集器(2)的第一端子(7a)耦合到第一(s1)及第二(s2)開關(guān)與第一(a0)比較器的第一輸入(+)之間的結(jié)，且壓電采集器(2)的第二端子(7b)耦合到第三(s3)及第四(s4)開關(guān)與第二(a1)比較器的第一輸入(+)之間的結(jié)。第一(a0)及第二(a1)比較器控制采集器輸出電流(ipz(t))的整流以給耦合在采集器輸出導(dǎo)體(18)與第一參考電壓(gnd)之間的電容(c0)充電。第一(a0)及第二(a1)比較器還產(chǎn)生輸出信號(20-4、20-2)，其指示壓電采集器(2)的輸出電流(ipz(t))的方向反轉(zhuǎn)。dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)具有耦合到采集器輸出導(dǎo)體(18)的第一輸入、耦合到第一參考電壓(gnd)的第二輸入及用于向電池(6)供應(yīng)電流的輸出(5)。dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)包括耦合到采集器輸出導(dǎo)體(18)的電感器(l0)、耦合到電感器(l0)的第五開關(guān)(s0)及耦合到電感器(l0)的整流裝置(d)。第三比較器(13)將采集器輸出導(dǎo)體(18)上的電壓(vhrv)與第二參考電壓(vref)進行比較以確定何時停止電容(c0)放電到電感器(l0)中。啟用電路(17)分別耦合到第一(a0)和第二(a1)比較器的輸出(20-4、20-2)，用于起始電容(c0)放電到電感器(l0)中且致使第五開關(guān)(s0)響應(yīng)于每一次方向反轉(zhuǎn)進行切換操作以引導(dǎo)電感器(l0)中的電流進入電池(6)中，以便大體上消除用于給壓電采集器(2)的電容(cpiezo)再充電的cv2能量的浪費。啟用電路(17)作為狀態(tài)機(圖5)來操作，其具有：第一狀態(tài)(a)，其中由啟用電路(17)產(chǎn)生的啟用信號(en)處于邏輯“1”電平以啟用dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)；及第二狀態(tài)(b)，其中啟用信號(en)處于邏輯“0”電平以停用dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)。啟用邏輯電路(17)響應(yīng)于第三比較器(13)的輸出(v16)從“1”電平變化到“0”電平而從第一狀態(tài)(a)切換到第二狀態(tài)(b)。啟用邏輯電路(17)響應(yīng)于第一比較器(a0)的輸出(v20-4)從“1”電平變化到“0”電平或第二比較器(a1)的輸出(v20-2)從“1”電平變化到“0”電平而從第二狀態(tài)(b)切換到第一狀態(tài)(a)。在描述的實施例中，整流裝置(d)為同步整流器。dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)可為升壓轉(zhuǎn)換器、降壓轉(zhuǎn)換器或降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。
在一個實施例中，pwm(脈寬調(diào)制)電路(14)耦合在啟用電路(17)的輸出(en)與第五開關(guān)(s0)的控制端子之間。在一個實施例中，第一(a0)及第二(a1)比較器中的每一者具有耦合到第一參考電壓(gnd)的第二輸入(-)。在一個實施例中，當(dāng)啟用電路(17)的輸出(en)處于“1”電平時，pwm電路(14)致使第五開關(guān)(s0)以若干兆赫的頻率進行切換，且當(dāng)啟用電路(17)的輸出(en)處于“0”電平時，pwm電路(14)還保持第五開關(guān)(s0)斷開。在描述的實施例中，dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)被啟用達小于約100微秒的時間間隔(t1到t0或t3到t2)。
在描述的實施例中，當(dāng)輸出電流(ipz(t))在第一方向上流動時，第一比較器(a0)響應(yīng)于輸出電流(ipz(t))的量值降到預(yù)定低值以下而從“1”狀態(tài)切換到“0”狀態(tài)，且其中當(dāng)輸出電流(ipz(t))在第二方向上流動時，第二比較器(a1)響應(yīng)于輸出電流(ipz(t))的量值降到預(yù)定低值以下而從“1”狀態(tài)切換到“0”狀態(tài)。
在一個實施例中，本發(fā)明提供一種用于將采集的振動能量有效地傳送到電池(6)的方法，其包括：將所述振動能量耦合到壓電采集器(2)，進而致使壓電采集器(2)產(chǎn)生ac輸出電壓(vp(t))及ac輸出電流(ipz(t))，這兩者共同構(gòu)成采集的振動能量；將ac輸出電壓(vp(t))及ac輸出電流(ipz(t))耦合到有源整流器(3)且對ac輸出電壓(vp(t))及ac輸出電流(ipz(t))進行整流以產(chǎn)生采集的dc輸出電壓(vhrv)及采集的dc輸出電流(ihrv)；將采集的dc輸出電流(ihrv)傳導(dǎo)到電容(c0)中以給電容(c0)充電，直到采集的dc輸出電壓(vhrv)達到ac輸出電流(ipz(t))的方向反轉(zhuǎn)所處的電平為止；借助于有源整流器(3)中的比較器(a0、a1)檢測方向反轉(zhuǎn)；響應(yīng)于所述檢測而啟用dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)以致使電容(c0)響應(yīng)于每一次方向反轉(zhuǎn)而放電到dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)的電感器(l0)中；響應(yīng)于采集的dc輸出電壓(vhrv)與參考電壓(vref)的比較而停用dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)以停止電容(c0)放電并致使給其再充電，其中采集的dc輸出電壓(vhrv)小于參考電壓(vref)；以及通過操作dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)的開關(guān)(s0)而啟用dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)以致使電感器(l0)中的所得電流流進電池(6)中，所述啟用包括通過操作狀態(tài)機(17，圖5)而產(chǎn)生啟用信號(en)，所述狀態(tài)機具有：第一狀態(tài)(a)，其中啟用信號(en)處于邏輯“1”電平以啟用dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)；以及第二狀態(tài)(b)，其中啟用信號(en)處于邏輯“0”電平以停用dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)，其中狀態(tài)機(17)響應(yīng)于由執(zhí)行所述比較的比較器(13)所產(chǎn)生的輸出(v16)從“1”電平變化到“0”電平而從第一狀態(tài)(a)切換到第二狀態(tài)(b)，且其中啟用邏輯電路(17)響應(yīng)于方向反轉(zhuǎn)的檢測而從第二狀態(tài)(b)切換到第一狀態(tài)(a)。
在一個實施例中，所述啟用包括當(dāng)啟用信號(en)處于“1”電平時，操作pwm(脈寬調(diào)制)電路(14)以致使連接到dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)中的電感器(l0)的開關(guān)(s0)以若干兆赫的頻率進行切換，且其中當(dāng)啟用信號(en)處于“0”電平時，pwm電路(14)保持開關(guān)(s0)斷開。
在一個實施例中，所述方法提供一種用于將采集的振動能量有效地傳送到電池(6)的系統(tǒng)(1-2)，其包括：用于接收振動能量并產(chǎn)生ac輸出電壓(vp(t))和ac輸出電流(ipz(t))的壓電采集器構(gòu)件(2)，其中所述ac輸出電壓(vp(t))和ac輸出電流(ipz(t))共同構(gòu)成采集的振動能量；用于將ac輸出電壓(vp(t))和ac輸出電流(ipz(t))耦合到有源整流器構(gòu)件(3)以用于對ac輸出電壓(vp(t))和ac輸出電流(ipz(t))進行整流以產(chǎn)生采集的dc輸出電壓(vhrv)和采集的dc輸出電流(ihrv)的構(gòu)件(18)；用于將采集的dc輸出電流(ihrv)傳導(dǎo)到電容(c0)中以給電容(c0)充電直到采集的dc輸出電壓(vhrv)達到ac輸出電流(ipz(t))的方向反轉(zhuǎn)所處的電平為止的構(gòu)件(18)；用于檢測方向反轉(zhuǎn)的構(gòu)件(a0、a1)；用于響應(yīng)于所述檢測而啟用dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)以致使電容(c0)響應(yīng)于每一次方向反轉(zhuǎn)而放電到dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)的電感器(l0)中的構(gòu)件(17)；以及用于響應(yīng)于采集的dc輸出電壓(vhrv)與參考電壓(vref)的比較而停用dc/dc轉(zhuǎn)換器(4)的構(gòu)件(13、17)，其中采集的dc輸出電壓(vhrv)小于參考電壓(vref)。
附圖說明
參考附圖描述實例實施例，其中：
圖1a為包含壓電采集器及經(jīng)布置以給電池充電的dc/dc轉(zhuǎn)換器的現(xiàn)有技術(shù)能量采集系統(tǒng)的示意圖。
圖1b展示圖1a中的壓電采集器2的模型。
圖2為在解釋圖1a的能量采集系統(tǒng)中的能量浪費時為有用的曲線圖。
圖3a為本發(fā)明的壓電能量采集器系統(tǒng)的示意圖。
圖3b為圖3a中的dc/dc轉(zhuǎn)換器4的一個基本實施方案的示意圖。
圖3c為圖3a中的dc/dc轉(zhuǎn)換器4的另一個基本實施方案的示意圖。
圖4為在解釋圖3的壓電能量采集器系統(tǒng)的操作時為有用的曲線圖。
圖5為用于圖3a的框17中的啟用邏輯的狀態(tài)圖。
具體實施方式
圖3a展示能量采集系統(tǒng)1-2，其包括常規(guī)壓電采集器2、有源整流器電路3、比較器13、啟用邏輯電路17、開關(guān)控制及pwm(脈寬調(diào)制)電路14以及用于給電池或超級電容器6及/或負載(未圖示)充電的dc/dc轉(zhuǎn)換器4。如在現(xiàn)有技術(shù)圖1b中所指示，可將壓電采集器2模型化為正弦電流源、內(nèi)部電容cpiezo及內(nèi)部電阻rpiezo的并聯(lián)連接。整流器電路3包括四個開關(guān)s1到s4、兩個比較器a0和a1以及兩個反相器22和23。壓電采集器2接收機械振動能量或類似的能量并將其轉(zhuǎn)換為跨越壓電采集器2的采集ac電壓vp(t)及在其端子7a和7b中的采集ac電流ipz(t)。濾波電容器c0可連接在導(dǎo)體18與接地(即，vss)之間。
在有源整流器3中，開關(guān)s1的第一端子連接到導(dǎo)體18，在導(dǎo)體18上產(chǎn)生有源整流器的輸出vhrv。開關(guān)s1的第二端子通過壓電采集器2的(+)端子7a連接到開關(guān)s2的第一端子，開關(guān)s2的第二端子連接到接地。類似地，開關(guān)s3的第一端子連接到導(dǎo)體18。開關(guān)s3的第二端子通過壓電采集器2的(-)端子7b連接到開關(guān)s4的第一端子，開關(guān)s4的第二端子連接到接地。反相器22使其輸出20-1連接到開關(guān)s1的控制端子。反相器22的輸入通過導(dǎo)體20-2連接到開關(guān)s2的控制端子及比較器a1的輸出，比較器a1使其反相輸入連接到接地。比較器a1的非反相輸入連接到壓電采集器端子7b。反相器23使其輸出通過導(dǎo)體20-3連接到開關(guān)s3的控制端子。反相器23的輸入通過導(dǎo)體20-4連接到開關(guān)s4的控制端子和比較器a0的輸出。比較器a0的反相輸入連接到接地，且其非反相輸入連接到壓電采集器端子7a。因此，有源整流器3的開關(guān)控制電路包括比較器a0和a1及反相器22和23。
有源整流器3的輸出導(dǎo)體18連接到dc/dc轉(zhuǎn)換器4的高側(cè)電壓輸入端子，dc/dc轉(zhuǎn)換器4的輸出5連接到電池6。dc/dc轉(zhuǎn)換器4的低側(cè)電壓輸入連接到接地。導(dǎo)體18還連接到比較器電路13的(+)輸入。有源整流器3在導(dǎo)體18中產(chǎn)生采集的dc輸出電流ihrv且在導(dǎo)體18上產(chǎn)生采集的dc輸出電壓vhrv。比較器電路13的(-)輸入連接到參考電壓vref，其可為零或某其它電壓。dc/dc轉(zhuǎn)換器4可為如圖3b中所展示的升壓轉(zhuǎn)換器、如圖3c中所展示的降壓轉(zhuǎn)換器或降壓/升壓轉(zhuǎn)換器(未圖示)。dc/dc轉(zhuǎn)換器4的目前優(yōu)選實施例為升壓轉(zhuǎn)換器，但預(yù)期將來的實施方案將包括降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。
圖3b展示升壓轉(zhuǎn)換器4-1的簡化示意圖，其中導(dǎo)體18連接到電感器l0的一個端子，電感器l0的另一端子通過導(dǎo)體12連接到開關(guān)s0的一個端子和由二極管d表示的同步整流器電路的陽極。電感器l0通常具有10到40微亨的電感。二極管d的陽極通過導(dǎo)體5連接到電池6。開關(guān)s0的另一端子連接到接地。開關(guān)s0的控制端子連接到圖3a中的控制及pwm電路14的輸出15。
或者，dc/dc轉(zhuǎn)換器4可借助于降壓轉(zhuǎn)換器4-2來實施，其簡化示意圖在圖3c中展示，其中導(dǎo)體18連接到開關(guān)s0的一個端子。開關(guān)s0的另一端子通過導(dǎo)體12連接到電感器l0的一個端子和由二極管d表示的同步整流器電路的陰極。二極管d的另一端子連接到接地。電感器l0的另一端子通過導(dǎo)體5連接到電池6。二極管d的另一端子連接到接地。開關(guān)s0的控制端子連接到圖3a中的控制及pwm電路14的輸出15。(請注意，如果vhrv可高于電池電壓，那么應(yīng)使用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。)
再次參考圖3a，比較器電路13的輸出16連接到啟用邏輯電路17的一個輸入。(啟用邏輯電路17的電路的狀態(tài)圖展示于圖5中，下文描述。)啟用邏輯電路17的另外兩個輸入分別連接到比較器a1的輸出20-2及比較器a0的輸出20-4。啟用邏輯電路17執(zhí)行若干功能，包括移除/減少分別與導(dǎo)體16、20-2及20-4上的信號v16、v20-2及v20-4相關(guān)聯(lián)的低頻瞬態(tài)干擾，以及根據(jù)圖5中所展示的狀態(tài)圖而在導(dǎo)體19上產(chǎn)生啟用信號en。
參考圖5，圖3a中的啟用邏輯電路17的狀態(tài)圖包括第一狀態(tài)“a”，其中在導(dǎo)體19上所產(chǎn)生的啟用信號en處于邏輯“1”電平以啟用dc/dc轉(zhuǎn)換器4。啟用邏輯電路17還具有第二狀態(tài)“b”，其中啟用信號en處于邏輯“0”電平。當(dāng)啟用邏輯電路17處于狀態(tài)“a”且滿足條件“c”時，即，當(dāng)導(dǎo)體16上的比較器輸出v16從“1”電平變化到“0”電平時，那么邏輯電路17從其中en為“1”的狀態(tài)“a”切換到其中en為“0”的狀態(tài)“b”，從而致使dc/dc轉(zhuǎn)換器4被停用。當(dāng)啟用邏輯電路17處于狀態(tài)“b”且滿足條件“d”時，即，如果比較器a1的輸出v20-2從“1”電平變化到“0”電平或比較器a0的輸出v20-4從“1”電平變化到“0”電平，那么啟用邏輯電路17從狀態(tài)“b”切換到狀態(tài)“a”，從而致使dc/dc轉(zhuǎn)換器4被啟用。
可通過將圖5的簡單狀態(tài)圖實施為簡單狀態(tài)機而容易地提供啟用邏輯電路17。舉例來說，可使用邊緣觸發(fā)式觸發(fā)器和一些相關(guān)聯(lián)的邏輯電路來實施狀態(tài)機。
再次參考圖3a，啟用邏輯電路17在導(dǎo)體19上產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器啟用信號en，導(dǎo)體19連接到控制及pwm電路14的輸入?？刂萍皃wm電路14執(zhí)行控制dc/dc轉(zhuǎn)換器開關(guān)以便確定并限制電感器l0中的電流的功能?？刂萍皃wm電路14的輸出15耦合到控制dc/dc轉(zhuǎn)換器4的電感器l0中的電流流動的開關(guān)s0(在圖3b或圖3c中展示)的柵極。
在操作中，圖3a中的比較器a1的(+)輸入上的邏輯電平控制開關(guān)s1和s2的控制端子，且比較器a0的(+)輸入上的邏輯電平控制開關(guān)s3和s4的控制端子。當(dāng)壓電采集器電流ipz(t)的量值達到最大值或最小值時，比較器a0和a1切換狀態(tài)，且圖4中的vp(t)波形的片段a展示當(dāng)開關(guān)s1和s4閉合且另外兩個開關(guān)s2和s3斷開時隨著ipz(t)流經(jīng)開關(guān)s1且相對較慢地給電容器c0充電時vp(t)如何下降。
當(dāng)ipz(t)的方向在時間t0處反轉(zhuǎn)時，vp(t)波形的片段b展示電容器c0如何相對較快地放電到電感器l0中(例如，如圖3b或3c中所展示)。dc/dc轉(zhuǎn)換器4在時間t0處被啟用且引導(dǎo)電感器電流進入輸出導(dǎo)體5以給電池6充電。當(dāng)c0放電到0伏特時，dc/dc轉(zhuǎn)換器4被停用。
類似地，當(dāng)ipz(t)的方向在充電片段c結(jié)束處的時間t2處反轉(zhuǎn)時，vp(t)波形的片段d展示電容器c0如何相對較快地放電到電感器l0中。dc/dc轉(zhuǎn)換器4在時間t2處被啟用且引導(dǎo)電感器電流進入輸出導(dǎo)體5中以給電池6充電。當(dāng)c0放電到0伏特時，dc/dc轉(zhuǎn)換器4被停用。
圖3a的有源整流器3中的包括比較器a0和a1的開關(guān)控制電路確定開關(guān)s1到s4的操作以便每當(dāng)在當(dāng)前振動循環(huán)的正和負相位期間給c0和cpiezo充電時壓電采集器電流ipz(t)的量值降到零時控制對采集的ac信號ipz(t)的同步整流。比較器a0將開關(guān)s4斷開并將開關(guān)s3接通(或比較器a1將開關(guān)s2斷開并將開關(guān)s1接通)，且分給壓電采集器2的振動能量連同壓電采集器2和有源整流器3繼續(xù)產(chǎn)生的任意量的電流ihrv被傳導(dǎo)到電感器l0并存儲在電感器l0中(例如，如在圖3b或3c中)。根據(jù)dc/dc轉(zhuǎn)換器4的正常操作，存儲在電感器l0中的電流被引導(dǎo)到電池6中。如果vhrv降到vref以下，那么比較器13致使dc/dc轉(zhuǎn)換器4被停用。只要足夠強的振動繼續(xù)，前述過程就繼續(xù)。
啟用dc/dc轉(zhuǎn)換器4是允許s0按照正常的dc/dc轉(zhuǎn)換操作所需而操作。停用dc/dc轉(zhuǎn)換器4只是將連接到電感器l0的開關(guān)s0保持處于其斷開狀態(tài)。
因此，圖3a中的dc/dc轉(zhuǎn)換器4是通過感測壓電采集器2中的電流ipz(t)的方向來控制，其涉及確定輸出v20-2或v20-4中的任一者何時達到“0”電平。當(dāng)來自壓電采集器2的電壓vp(t)達到其峰值時，壓電采集器電流ipz(t)反轉(zhuǎn)方向。
有利地，所有正由壓電采集器2所產(chǎn)生的電流ipz(t)都被用以給電容c0和cpiezo再充電，且相比于現(xiàn)有技術(shù)圖1a的采集系統(tǒng)而言，其基本上都沒有被浪費。在其中dc/dc轉(zhuǎn)換器4保持啟用的短時間間隔期間(即，圖3中的時間t0到t1)，所有正由壓電采集器2所產(chǎn)生的電流及基本上所有目前存儲在電容器c0和cpiezo中的電荷被快速地放電到dc/dc轉(zhuǎn)換器4的電感器l0中。同時，根據(jù)dc/dc轉(zhuǎn)換器4的正常操作，當(dāng)dc/dc轉(zhuǎn)換器4保持啟用時，存儲在dc/dc轉(zhuǎn)換器4的電感器l0中的能量被引導(dǎo)到電池6中。振動頻率通常低于約2khz，且由控制及pwm電路14所確立的dc/dc轉(zhuǎn)換器4的切換頻率通常為若干兆赫。
通過分析圖1a及3a中所展示的壓電采集系統(tǒng)以及圖2及4中所展示的相關(guān)聯(lián)波形，可容易地展示：圖3a中所展示的壓電采集系統(tǒng)1-2使壓電能量采集的效率比現(xiàn)有技術(shù)圖1a中的壓電采集系統(tǒng)1-1增加約3倍。
參考圖4中的波形，視壓電采集器2的電壓的極性而定，通過在片段a或片段c期間經(jīng)由有源整流器3的輸出導(dǎo)體18而給電容c0和cpiezo再充電，導(dǎo)體18上的采集器輸出電壓vp(t)增加，直到其達到最大值或最小值為止。此時，dc/dc轉(zhuǎn)換器4被由啟用邏輯電路17所產(chǎn)生的啟用信號en有效地啟用，這在時間t0處開始并持續(xù)到vp(t)等于vref(其可為零)的時間t1，如果振動移位足以致使vhrv超過vref，那么當(dāng)c0和cpiezo被完全放電到電感器l0中時發(fā)生為零的情況。隨著充滿電的電容c0和cpiezo正被放電到電感器l0中，根據(jù)控制及pwm電路14的普通切換程序，存儲在電感器l0中的所得電流被傳送到電池6中。
具體地說，在圖4中的vp(t)波形的“充電片段”a期間，有源整流器3被有效地從停用的dc/dc轉(zhuǎn)換器4分離。在充電片段a期間，正由壓電采集器2所產(chǎn)生的電流ipz(t)為電容c0和cpiezo充電。當(dāng)隨著ipz(t)的逐漸減小的量值達到零，vp(t)的量值達到其最大值時，dc/dc轉(zhuǎn)換器4響應(yīng)于en而被啟用。接著，在vp(t)波形的“放電片段”b期間，電容c0和cpiezo放電到電感器l0中且控制及pwm電路14操作開關(guān)s0以便引導(dǎo)存儲在電感器l0中的電流進入電池6中。在充電片段c及放電片段d期間的操作是類似的，但卻是針對vp(t)的相反極性。
當(dāng)壓電采集器電壓vp(t)達到峰值量值時，ipz(t)的對應(yīng)ipz(t)電流方向反轉(zhuǎn)被檢測為比較器a0和a1中的一者的輸出的反轉(zhuǎn)。dc/dc轉(zhuǎn)換器4響應(yīng)于所述ipz(t)方向反轉(zhuǎn)而被立即啟用。
在振動循環(huán)期間，c0和cpiezo并聯(lián)連接，且跨越c0的電壓vhrv比在相同的振動半循環(huán)期間當(dāng)dc/dc轉(zhuǎn)換器4被停用(即，有效地從壓電采集器2分離)時跨越壓電采集器2的電壓vp(t)小c0/cpiezo倍。如果dc/dc轉(zhuǎn)換器4借助于圖3b中的升壓轉(zhuǎn)換器4-1來實施，那么vhrv被電池6的3到4伏特電壓限制，所述電池6通過電感器l0有效地短接到導(dǎo)體18。(參看李菲佛(lefeuvere)等人的上述參考)。
當(dāng)dc/dc轉(zhuǎn)換器4被啟用時，dc/dc轉(zhuǎn)換器4開始將最大容許電流(由圖4中的電流脈沖e和f所指示)傳導(dǎo)到電感器l0中，直到c0和cpiezo被充分放電為止，且同時，根據(jù)控制及pwm電路14的輸出，電感器l0中的所得電流被引導(dǎo)到電池6中。接著，dc/dc轉(zhuǎn)換器4被立即停用或有效地從vhrv分離，直到其期間c0和cpiezo正被壓電采集器2再充電的下一個振動半循環(huán)結(jié)束為止。c0和cpiezo的放電時間少于約100微秒并因此相比于通常少于約若干毫秒的振動循環(huán)的持續(xù)時間來說可以忽略不計。(c0和cpiezo的放電時間通常比振動循環(huán)小至少100倍(其比圖4中所說明的相對更短得多))。
以上所描述的壓電能量采集系統(tǒng)通過提供包括用于從壓電采集器提取最大電力的相關(guān)聯(lián)電路的新穎dc/dc轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)而避免圖1a中所展示的現(xiàn)有技術(shù)的浪費大量電力的特性。這是通過使用有源整流器來完成的，所述有源整流器檢測通過壓電采集器的電流的方向的反轉(zhuǎn)，并且只要需要在當(dāng)前振動半循環(huán)中較早地傳送所有由壓電采集器所產(chǎn)生的電荷及電流就利用所述信息來僅僅啟用dc/dc轉(zhuǎn)換器。這在沒有使用額外開關(guān)的情況下完成。
因此，由壓電采集器2所產(chǎn)生的振動能量被充分利用且沒有浪費的消耗發(fā)生。c0在每一振動循環(huán)中充分放電。這意味著壓電采集器2的輸入阻抗等于rin～1/ωc0。dc/dc轉(zhuǎn)換器4的輸入阻抗可通過適當(dāng)選擇電容c0而與壓電采集器2的輸出阻抗相匹配。
本文意圖涵蓋具有在實例實施例的上下文中所描述的特征或步驟中的一者或一者以上的不同組合的實施例，所述實例實施例具有所有此類特征或步驟或僅其中一些。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，在所主張的發(fā)明的范圍內(nèi)，許多其它實施例和變化也是可能的。