电源管理DC-DC转换器以及用于感应能量收集器的方法

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

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。

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3B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。

现有技术图3A和图3B的电源管理系统使用升压转换器替换现有 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。

相关背景也在题为“Buck-Boost Switching Regulator.”的美国专利 6275016中描述。

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

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， C_L）。

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）。

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）。

在描述的实施例中，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 （V₄）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（V₂）的接通电阻（R_ON）。

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（V₄）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（V₄）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（I_Lh）在第二方向已经累积到足以 促使第二电压（V₂）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（V₂）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。

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（17，17A）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）。

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。

在一个实施例中，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。

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（S1-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）。

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）。

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。

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）。

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）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

本发明参考附图描述了示例实施例，在附图中：

图1是常规感应振动能量收集器装置的简化示意图。

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。

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。

图3B是图3A中现有电源管理电路的更详细示意图。

图4A是本发明的感应收集电源管理电路的框图。

图4B是图4A感应收集器电源管理电路的示意图。

图4C是有益于解释说明图4B中所示电路的操作的曲线图。

图5A是本发明的另一感应收集器电源管理电路的示意图。

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

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所示种类的开 关控制器。

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。

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，同步整流器的输出端连接到开关的控制端子）。

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。

一种可替换的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。

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 中适当的一个到达电池25。

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V₂或V₄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/L₁开始上 升，L₁是线圈4的电感。当开关S2和S4中的一个如开关S2断开时， 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）/L₁下降，V_BAT是电池24的电压。

在电压模式下，测量电压V₂或V₄，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。

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=（L₁I_Lh²）/2传递到电池24或负载。

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。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。

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。

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24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。

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V₄实际测量。当V₄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。

之后，在负方向累积的电感器电流I_Lh通过由电感器电流I_Lh穿过 开关S2的“接通”电阻R_ON生成的电压值V₂实际测量。当V₂超过比 较器A0的第一阈值时，其改变状态。这促使开关控制器17打开开关 S2，并且促使反相器22闭合开关S1，从而引导累积的电感器反向电 感器电流I_Lh穿过导体18到达电池24（和/或负载）。随着负方向电感 器电流I_Lh流入电池24，其值逐渐下降到零，并导致窗口比较器A0的 重新设置，从而开关S1打开和下侧开关S2闭合。

只要足够的外界振动继续，则重复上述过程。

优选地，I_hrv的值是可调节的并由线圈4中收集的电流I_hrv的导数 确定。为了最小化动态损失，能量传递应当仅发生在线圈4中的电流 达到其最大绝对值或最小绝对值时。图4C的图形中的I_hrv的最小值与 最小的可收集能量相对应。最小的可收集能量I_hrv应当明显大于开关、 比较器、电感器等中器件的切换损失。比较器A0和A1可以在非常低 的电压输入信号下起作用（例如，数十毫伏）。为了以这种低电压输 入信号中可用的少量过速传动（overdrive）实现所需的操作速度，比 较器A0和A1的电流损耗必然是过度的。

当正在收集的外界振动能量是小的，从而I_Lh<<I_hrv，为了减少空 闲或等待功率，可以使用图5A的结构。在图5A中，在AC收集电流 周期开始时，比较器A0和A1被禁用并且开关S1、S2、S3被断开（即， 打开的）。

在图5A中，可以使用电流传感器26和27，这是因为某些应用有 时候不仅存在给电池24充电的需要，而且有时候也存在为包括负载电 阻器R_L和负载电容器C_L的负载提供和调节电压V_LOAD的需要。在这 样的情况下，开关S5和S6添加到图4A的结构中，以实现充电和调 节两种任务。开关S5连接于电感器端子7A和导体35之间，其传导 施加于包括负载电阻器R_L和负载电容器C_L的负载的负载电压V_load。 开关S5的控制端子通过导体20-5连接到开关控制电路17A。类似地， 开关S6连接于电感器端子7B和导体35之间。开关S6的控制端子通 过导体20-6连接到开关控制电路17A。

当有必要给电池24充电时，图5A的电路15-5能够准确地像之前 描述的图4A或图4B中的电路15-4那样操作。

不过，当有必要操作负载R_L，C_L时，开关控制器17A操作用于切 换开关S5或S6，而不是开关S1或开关S3。那么，来自电感器4的能 量被传递给负载R_L，C_L，而不是电池24。若当前电感器4中没有能量， 例如由于当前没有能量可供收集，则通过利用充电电池24的能量，开 关控制器17A可操作用于将电感器4和开关S1-4配置为降压转换器或 升压转换器，这取决于V_BAT是大于还是小于负载R_L，C_L所需的电压 V_load。（关于控制降压/升压转换器电路的更多信息在以上提及的共同 共有的专利6275016中介绍。）

例如，如果当前没有能量可供收集，那么，开关控制器17A可以 闭合开关S3并且切换开关S5和S2，使得在所需的负载电压V_load大 于V_BAT的情况下将这些开关连同线圈4一起配置成作为升压转换器操 作。否则，开关控制器17A可以闭合开关S5并切换开关S3和S4， 然后这些开关连同电感器4将被配置成以降压转换器操作，这取决于 电池电压或负载所需电压是否较大。

若收集的能量可用，则在如前所述切换S2/S4或S1/S3开关对时， 开关控制器17A可以引导收集能量通过开关S5或S6到达负载R_L， C_L而不是电池24。

在任何情况下，收集器线圈4的电感L1实际在能量收集器1和 图5A中起DC-DC转换器作用的部分之间是时间共享的。这避免提供 常用电感器用于升压转换器或降压转换器的高成本。

图5B显示了线圈电流（I_Lh）和输出电压（V_Lh）波形。针对图5A 中的电源管理系统15-4的操作不同部分的开关S1-S4的状态也在图5B 中示出。

因此，本发明使用各种开关以采用能量收集器1的电感器4产生 收集的AC信号I_Lh，从而实现高效同步整流以及用于I_Lh的DC-DC转 换。这避免了提供仅用于DC-DC转换的外部电感器的费用。这与现 有技术形成了对比，其并不需要额外的外部电感器用于DC-DC转换。

具有本文示例实施例中描述的一个或更多特征或步骤的不同组合 的各实施例意在本文的覆盖范围内，其中所述示例实施例具有所有或 部分本文所述的特征或步骤。本领域的技术人员应当明白很多其他实 施例及其变体也在本发明保护的范围内。