誘導エナジーハーベスタのための電力管理ＤＣ−ＤＣコンバータ及び方法
コイルの第１（７Ａ）と第２（７Ｂ）の端子間に結合されるスイッチング回路（Ｓ１〜Ｓ４）を含む、コイル（４）を含むハーベスティングデバイス（１）から収集されるＡＣエネルギーを管理するためのシステム。スイッチング回路は、第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ３）、及び第４（Ｓ４）のスイッチを含む。スイッチ・コントローラ（１７）が、第２及び第４のスイッチを閉じてコイル内の電流（ＩＬｈ）の増大を可能にし、第２及び第４のスイッチの一方を開き、増大されたインダクタ電流が所定のしきい値（Ｉｈｒｖ）に達するのに応答して第３及び第１のスイッチのうちの対応する１つを閉じて、増大されたインダクタ電流を、第３及び第１のスイッチのうちの対応する１つを通じて電流受信デバイス（２４及び／又はＲＬ、ＣＬ）へ導く。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、誘導タイプのエナジーハーベスタ（harvester）をＤＣ−ＤＣコンバータと共に利用することに関し、より具体的には、誘導エナジーハーベスティングのためにエナジーハーベスタのインダクタンスを使用するため、及び、エナジーハーベスタ出力のＤＣ−ＤＣ変換を実行するための、スイッチング回路と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導タイプの振動エナジーハーベスタ１の基本構造が、図１に示されている。これは、質量ｍと、ばね２の一方の端部上に懸架された関連するコイル又はインダクタ４とを含む。質量ｍ及びコイル４は、磁石５に対して速度ｖで移動する。ばね２の他方の端部及び磁石５は、支持体６によって支持される。（コイルは、磁石の動きに対して静止しているか、又はその逆であり得る。）コイル４及び関連する質量ｍが磁場内を速度ｖで移動すると、それらの運動エネルギーＥｋ＝（ｍｖ２）／２はバネ２内の位置エネルギーに変換され、次にこれが電磁エネルギーＥＬｈ＝ｅＬ＝（ＬｈＩＬｈ２）／２に変換される。コイル内の起電力ｅＬは、磁場を通過するその動きの速度ｖによって定義され、ｅＬ＝−ｗ×Ｂ×ｖによって得られ、この式でｗはコイルの巻き数であり、Ｂは磁場密度であり、ｖは磁石５に対するコイル４の速度である。このＡＣ電流の周波数は振動の周波数であり、典型的には６０から１２０Ｈｚ、現時点での最新式では最大で約２０００Ｈｚである。より一般には、収集されるＡＣ電流の最大周波数は、最大で、電力管理回路で使用されているスイッチのスイッチング周波数の約１０倍となる。
【０００３】
誘導タイプのエナジーハーベスタ１を含む既知の電力管理回路１０が、図２に示されている。電力管理回路１０は、整流器及び低ドロップアウト（ＬＤＯ）レギュレータも含む。ダイオードＳ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４を含む受動整流器が、誘導エナジーハーベスタ１によって端子７Ａと７Ｂとの間に生成されるＡＣ出力信号を整流する。ダイオードＳ１のカソードはＶＤＤに接続され、そのアノードは端子７ＡによってダイオードＳ３のカソードに接続され、ダイオードＳ３のアノードは接地に接続される。ダイオードＳ２のカソードは導体１８に接続される。ダイオードＳ２のアノードは、端子７ＢによってダイオードＳ４のカソードに接続され、ダイオードＳ４のアノードは接地に接続される。ＶＤＤと接地との間にフィルタ・キャパシタＣ０が接続される。ＬＤＯレギュレータ１１などのＤＣ−ＤＣコンバータがＶＤＤと接地との間に接続されて、出力導体１２上に調整済み出力電力ＶＣＡＰを生成する。出力導体１２と接地との間に負荷キャパシタＣＬが接続される。ＬＤＯ１１は、ＶＤＤと出力導体１２との間に接続されるＰチャネル・トランジスタＭ１を含む。ＶＤＤとツェナー・ダイオードＤのカソードとの間にレジスタＲが接続され、ツェナー・ダイオードＤのアノードは接地に接続される。レジスタＲとツェナー・ダイオードＤとの間の接合は、トランジスタＭ１のゲートに接続される。
【０００４】
誘導エナジーハーベスタ１の出力インピーダンスとエネルギー蓄積回路の入力キャパシタンスとが、蓄積キャパシタＣＬ上の電圧がどのような速さで上昇するかを決定する、典型的にはおよそ２０秒の時定数を有する、レジスタ・キャパシタネットワークを形成する。したがって、低振動レベルでは、振動スペクトルを獲得し、それを伝送するのに充分なエネルギーになるまでに、数分かかる可能性がある。この問題を回避するために、すべて図２のＬＤＯレギュレータ１１の、レジスタＲ２、ツェナー・ダイオードＤ５、及びトランジスタＭ１は、大型蓄積キャパシタＣＬをＣ０から分離する。これによって、電圧ＶＤＤは、それ自体をずっと速く、たとえば３０倍速く確立することができる。
【０００５】
図２の誘導ハーベスタ電力管理システム１０は、整流器ダイオード内での損失により、その収集効率が低いという欠点を有する。他の欠点は、非常に低い振動レベル（たとえば、ＶＤＤ＜ＶＣＡＰであるとき）では、フィルタ・キャパシタＣ０を適切に充電するのに充分な電圧を発生させないため、エネルギーがまったく収集できないことである。
【０００６】
従来技術の図２における電力管理システム１０の効率は、インダクタを含むＤＣ−ＤＣコンバータを使用することによって改善することが可能であり、低振動レベル収集能力は、従来技術の図３Ａ及び図３Ｂに示されるようなブースト・タイプのＤＣ−ＤＣコンバータを選択することによって改善することが可能である。
【０００７】
図３Ａで、従来技術の電力管理回路１５−１が、たとえば図１に示したような誘導エナジーハーベスタ１を含む。ダイオードＳ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４を含む受動整流器が、その端子７Ａと７Ｂとの間の誘導エナジーハーベスタ１によって生成されるＡＣ出力信号を整流する。ダイオードＳ１のカソードは導体１８に接続され、そのアノードは端子７ＡによってダイオードＳ２のカソードに接続され、ダイオードＳ２のアノードは接地に接続される。ダイオードＳ３のカソードは導体１８に接続される。ダイオードＳ３のアノードは端子７ＢによってダイオードＳ４のカソードに接続され、ダイオードＳ４のアノードは接地に接続される。導体１８と接地との間にフィルタ・キャパシタＣ０が接続される。
【０００８】
電力管理回路１５−１は、インダクタＬ１、スイッチＳ５、ダイオードＳ６、及びスイッチ制御回路１７を含むブーストコンバータ回路も含む。インダクタＬ１の第１の端子が、エナジーハーベスタ１及び受動整流器Ｓ１、２、３、４によって導体１８上に生成される整流された電圧ＶＬ１を受信するように接続される。ＶＬ１は、スイッチ制御回路１７の入力にも印加される。インダクタＬ１の他方の端子は、導体１６によって、スイッチＳ５の一方の端子に及びダイオードＳ６のアノードに接続される。スイッチＳ５の制御電極は、導体１４によってスイッチ制御回路１７の出力に接続される。
【０００９】
図３Ｂは、図３Ａの電力管理システム１５−１のより詳細な実装１５−２を示す。図３Ｂでは、従来技術の電力管理システム１５−２が、図３Ａと同様に接続された、誘導又は振動ハーベスタ１及び受動整流器Ｓ１、２、３、４を含む。図３Ｂのスイッチ制御回路１７は、しきい値電圧Ｖｈｒｖを受信するように結合される反転入力と、導体１８上のＶＬ１を受信するように接続される非反転入力とを有するコンパレータＡ０を含み、ＶＬ１がＶｈｒｖを超えるとき、ＤＣ−ＤＣブーストコンバータ回路のブースト動作が発生するようになっている。コンパレータＡ０の出力は、論理回路１３の入力に接続される。論理回路１３の別の入力は、従来の電圧感知回路によって供給される「バッテリ充電」又は「バッテリ・フル」入力信号を受信する。図３Ｂにおいて、スイッチＳ５の下側端子は、電流センサ１３の一方の端子に結合され、電流センサ１３の端子は接地に接続される。電流センサ１３の出力が、コンパレータＡ１の反転入力に接続され、コンパレータＡ１はその非反転入力上で基準しきい値Ｉｍａｘを受信する。コンパレータＡ１の出力は、論理回路１３の別の入力に接続される。論理回路１３の出力は、導体１４によってスイッチＳ５の制御端子に接続される。図３Ａに示されるようなダイオードＳ６が、図３Ｂでは、出力導体１９と導体１６との間に結合され、制御端子がコンパレータＡ２の出力に結合されるスイッチＳ６を含む同期整流器によって実装され、コンパレータＡ２は、出力導体１９に接続される反転入力と導体端子１６に接続される非反転入力とを有する。
【００１０】
従来技術の図３Ａ及び図３Ｂの電力管理システムは、従来技術の図２のＬＤＯレギュレータをブーストコンバータに置き換える。図３Ａ及び図３Ｂの電力管理回路１５−１及び１５−２は、典型的には大型で高価な外部構成要素である、インダクタ（Ｌ１）を必要とする。図３Ａ及び図３Ｂのシステムは、受動整流器Ｓ１、２、３、４の４つのダイオードにおいて、過度の電圧及び電力損失という欠点も有する。さらに、調整済みの供給電圧を供給するために、バッテリと負荷との間に別のＤＣ−ＤＣコンバータ又はＬＤＯレギュレータが必要となる。
【００１１】
関連する背景は、「降圧ブーストスイッチングレギュレータ（Buck-Boost
Switching Regulator）」という名称の米国特許第６，２７５，０１６号にも記載されている。
【００１２】
したがって、誘導エナジーハーベスタによって生成されるＡＣ出力を変換するためのＤＣ−ＤＣコンバータで使用される、コイル又はインダクタにおける改良が求められている。
【発明の概要】
【００１３】
実施形態の例は、ハーベスティングデバイス（１）から収集されるＡＣエネルギーを管理するためのシステムを提供し、このシステムはコイル（４）を含み、コイル（４）の第１（７Ａ）の端子と第２（７Ｂ）の端子間に結合されるスイッチング回路（Ｓ１〜Ｓ４）を含む。スイッチング回路は、第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ）、及び第４（４）のスイッチを含む。スイッチ・コントローラ（１７）が、第２及び第４のスイッチを閉じてコイル内の電流（ＩＬｈ）の増大を可能にし、第２及び第４のスイッチの一方を開き、増大されたインダクタ電流が所定のしきい値（Ｉｈｒｖ）に達するのに応答して第３及び第１のスイッチのうちの対応する１つを閉じて、増大されたインダクタ電流を、第３及び第１のスイッチのうちの前記対応する１つを通じて電流受信デバイス（２４及び／又はＲＬ、ＣＬ）へ導く。
【００１４】
一実施形態は、コイル（４）を含むハーベスティングデバイス（１）から収集されるＡＣエネルギーを管理するためのシステム（１５−３、４、５）を提供し、このシステムは、ハーベスティングデバイス（１）の第１（７Ａ）の端子と第２（７Ｂ）の端子間に結合される整流回路（Ｓ１〜Ｓ４）を含む。整流回路（Ｓ１〜Ｓ４）は、整流された電圧（ＶＬｈ）を導くための出力導体（１８）に結合される第１の電極とコイル（４）の第１の端子（７Ａ）に結合される第２の電極とを有する第１のスイッチング・デバイス（Ｓ１）、コイル（４）の第１の端子（７Ａ）に結合される第１の電極と基準電圧（ＧＮＤ）に結合される第２の電極とを有する第２のスイッチング・デバイス（Ｓ２）、出力導体（１８）に結合される第１の電極とコイル（４）の第２の端子（７Ｂ）に結合される第２の電極とを有する第３のスイッチング・デバイス（Ｓ１）、及びコイル（４）の第２の端子（７Ｂ）に結合される第１の電極と基準電圧（ＧＮＤ）に結合される第２の電極とを有する第４のスイッチング・デバイス（Ｓ４）を含む。整流された電圧（ＶＬｈ）を変換するためのＤＣ変換回路が、それぞれコイルの第１（７Ａ）及び第２（７Ｂ）の端子に結合される第１及び第２の入力と、それぞれ、第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ３）、及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスの制御電極に結合される、第１（２０−１）、第２（２０−２）、第３（２０−３）、及び第４（２０−４）の出力とを有するスイッチ制御回路（１７）を含む。ＤＣ変換回路は、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）の増大を可能にするために第２（Ｓ２）及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスを閉じること、第２（Ｓ２）及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスの一方を開くこと、ならびに、増大されたインダクタ電流（ＩＬｈ）が所定のしきい値（Ｉｈｒｖ）に達するのに応答して第３（Ｓ３）及び第１（Ｓ１）のスイッチング・デバイスのうちの対応する１つを閉じて、増大されたインダクタ電流（ＩＬｈ）を、第３（Ｓ３）及び第１（Ｓ１）のスイッチング・デバイスのうちの前記対応する１つを通じて電流受信デバイス（２４及び／又はＲＬ、ＣＬ）へ導くことによって、整流された電圧（ＶＬｈ）を変換する。
【００１５】
説明される実施形態では、ＤＣ変換回路は、整流された電圧（ＶＬｈ）をステップアップさせるように機能する。別の説明される実施形態では、ＤＣ変換回路は、整流された電圧（ＶＬｈ）をステップダウンさせるように機能する。
【００１６】
説明される実施形態では、スイッチ制御回路（１７）は、基準電圧（ＧＮＤ）に結合される反転入力と、コイル（４）の第２の端子（７Ｂ）に結合される非反転入力と、第１（Ｓ１）及び第２（Ｓ２）のスイッチング・デバイスを制御するよう結合される出力（２０−２）とを有する第１のコンパレータ（Ａ１）を含む。一実施形態では、スイッチ制御回路（１７）は、第１のスイッチング・デバイス（Ｓ１）の制御電極（２０−１）に結合される出力を有する第１のインバータ（２２）、基準電圧（ＧＮＤ）に結合される反転入力と、コイル（４）の第１の端子（７Ａ）に結合される非反転入力と、第４（Ｓ４）及び第３（Ｓ３）のスイッチング・デバイスを制御するように結合される出力（２０−４）とを有する第２のコンパレータ（Ａ０）、及び第３のスイッチング・デバイス（Ｓ３）の制御電極（２０−３）に結合される出力を有する第２のインバータ（２３）を含む。第４のスイッチング・デバイス（Ｓ４）は、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）がコイルから第４のスイッチング・デバイス（Ｓ４）を通じて流れるとき、第２の端子（７Ｂ）上に第１の電圧（Ｖ４）を生成させるオン抵抗（ＲＯＮ）を有し、第２のスイッチング・デバイス（Ｓ２）は、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）がコイルから第２のスイッチング・デバイス（Ｓ２）を通じて流れるとき、第１の端子（７Ａ）上に第２の電圧（Ｖ２）を生成させるオン抵抗（ＲＯＮ）を有する。
【００１７】
一実施形態では、第１のコンパレータ（Ａ１）は、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）が、第１の電圧（Ｖ４）に第１のコンパレータ（Ａ１）の第１のしきい値を超えさせるほど充分に第１の方向で増大したとき状態を変更して、第４のスイッチング・デバイス（Ｓ４）を開き、第３のスイッチング・デバイス（Ｓ３）を閉じて、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）を第３のスイッチ（Ｓ３）を通じて出力導体（１８）内へ導くように状態を変更させる。第１のコンパレータ（Ａ１）は、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）が、第１の電圧（Ｖ４）に第１のコンパレータ（Ａ１）の第２のしきい値を下回らせるほど充分に低下したとき再び状態を変更して、第４のスイッチング・デバイス（Ｓ４）を閉じ、第３のスイッチング・デバイス（Ｓ３）を開いて、コイル（４）を通じた第２の方向での電流（ＩＬｈ）の増大を可能にするように状態を変更させる。第２のコンパレータ（Ａ０）は、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）が、第２の電圧（Ｖ２）に第２のコンパレータ（Ａ０）の第１のしきい値を超えさせるほど充分に第２の方向で増大したとき状態を変更して、第２のスイッチング・デバイス（Ｓ２）を開き、第１のスイッチング・デバイス（Ｓ１）を閉じて、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）を第１のスイッチ（Ｓ１）を通じて出力導体（１８）内へ導くように状態を変更させる。第２のコンパレータ（Ａ０）は、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）が、第２の電圧（Ｖ２）に第２のコンパレータ（Ａ０）の第２のしきい値を下回らせるほど充分に低下したとき再び状態を変更して、第２のスイッチング・デバイス（Ｓ２）を閉じ、第３のスイッチング・デバイス（Ｓ１）を開いて、コイル（４）を通じた第１の方向での電流（ＩＬｈ）の増大を可能にするように状態を変更させる。
【００１８】
一実施形態では、負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）を導くための負荷導体（３５）に負荷（ＲＬ、ＣＬ）が結合される。第５のスイッチング・デバイス（Ｓ５）が、コイル（４）の第１の端子（７Ａ）に結合される第１の電極と、負荷導体（３５）に結合される第２の電極と、スイッチ制御回路（１７、１７Ａ）に結合される制御電極とを有する。第６のスイッチング・デバイス（Ｓ６）が、コイル（４）の第２の端子（７Ｂ）に結合される第１の電極と、負荷導体（３５）に結合される第２の電極と、スイッチ制御回路（１７Ａ）に結合される制御電極とを有する。スイッチ制御回路（１７Ａ）は、負荷（ＲＬ、ＣＬ）によって要求される負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）がバッテリ電圧（ＶＢＡＴ）を下回る場合、バッテリ（２４）から負荷（ＲＬ、ＣＬ）へエネルギーを伝達するために、第５（Ｓ５）及び第６（Ｓ６）のスイッチング・デバイスのうちの一方又は他方を閉じるように動作する。
【００１９】
一実施形態では、負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）を導くための負荷導体（３５）に負荷（ＲＬ、ＣＬ）が結合される。第５のスイッチング・デバイス（Ｓ５）が、コイル（４）の第１の端子（７Ａ）に結合される第１の電極と、負荷導体（３５）に結合される第２の電極と、スイッチ制御回路（１７Ａ）に結合される制御電極とを有する。第６のスイッチング・デバイス（Ｓ６）が、コイル（４）の第２の端子（７Ｂ）に結合される第１の電極と、負荷導体（３５）に結合される第２の電極と、スイッチ制御回路（１７Ａ）に結合される制御電極とを有する。スイッチ制御回路（１７）は、コイル（４）から負荷（ＲＬ、ＣＬ）へエネルギーを伝達するためにコイル（４）内でエネルギーが使用可能な場合、第５（Ｓ５）及び第６（Ｓ６）のスイッチング・デバイスのうちの一方又は他方を閉じるように動作する。
【００２０】
一実施形態では、スイッチ制御回路（１７Ａ）は、コイル（４）ならびに第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ３）、及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスを、要求される負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）がバッテリ電圧（ＶＢＡＴ）を超える場合はブーストコンバータとして、また、要求される負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）がバッテリ電圧（ＶＢＡＴ）を下回る場合は降圧コンバータとして、構成するように動作する。
【００２１】
一実施形態は、コイル（４）を含むハーベスティングデバイス（１）から収集されるＡＣエネルギーを管理するための方法を提供し、この方法は、コイル（４）の第１（７Ａ）と第２（７Ｂ）の端子間に結合されるスイッチング回路（Ｓ１〜Ｓ４）を提供することであって、このスイッチング回路（Ｓ１〜Ｓ４）が、第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ３）、及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスを含むこと、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）の増大を可能にするために第２（Ｓ２）及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスを閉じること、第２（Ｓ２）及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスの一方を開くこと、及び、増大されたインダクタ電流（ＩＬｈ）が所定のしきい値（Ｉｈｒｖ）に達するのに応答して第３（Ｓ３）及び第１（Ｓ１）のスイッチング・デバイスのうちの対応する１つを閉じて、増大されたインダクタ電流（ＩＬｈ）を、第３（Ｓ３）及び第１（Ｓ１）のスイッチング・デバイスのうちの前記対応する１つを通じて電流受信デバイス（２４及び／又はＲＬ、ＣＬ）へ導くことを含む。
【００２２】
一実施形態では、この方法は、負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）を導くために負荷（ＲＬ、ＣＬ）を負荷導体（３５）に結合すること、第５のスイッチング・デバイス（Ｓ５）をコイル（４）の第１の端子（７Ａ）と負荷導体（３５）との間に結合すること、第６のスイッチング・デバイス（Ｓ６）をコイル（４）の第２の端子（７Ｂ）と負荷導体（３５）との間に結合すること、ならびに、負荷（ＲＬ、ＣＬ）によって要求される負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）がバッテリ電圧（ＶＢＡＴ）を下回る場合、バッテリ（２４)から負荷（ＲＬ、ＣＬ）へエネルギーを伝達するために、第５（Ｓ５）及び第６（Ｓ６）のスイッチング・デバイスの一方を閉じるようにスイッチ制御回路（１７Ａ）を動作させることを含む。
【００２３】
一実施形態では、この方法は、コイル（４）ならびに第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ３）、及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスを、要求される負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）がバッテリ電圧（ＶＢＡＴ）を超える場合はブーストコンバータとして、また、要求される負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）がバッテリ電圧（ＶＢＡＴ）を下回る場合は降圧コンバータとして構成するように、スイッチ制御回路（１７Ａ）を動作させることを含む。
【００２４】
一実施形態では、この方法は、負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）を導くために負荷（ＲＬ、ＣＬ）を負荷導体（３５）に結合すること、第５のスイッチング・デバイス（Ｓ５）をコイル（４）の第１の端子（７Ａ）と負荷導体（３５）との間に結合すること、第６のスイッチング・デバイス（Ｓ６）をコイル（４）の第２の端子（７Ｂ）と負荷導体（３５）との間に結合すること、ならびに、コイル（４）から負荷（ＲＬ、ＣＬ）へエネルギーを伝達するためにコイル（４）内でエネルギーが使用可能な場合、バッテリ（２４)から負荷（ＲＬ、ＣＬ）へエネルギーを伝達するために、第５（Ｓ５）及び第６（Ｓ６）のスイッチング・デバイスのうちの一方又は他方を閉じるようにスイッチ制御回路（１７Ａ）を動作させることを含む。
【００２５】
一実施形態は、ハーベスティングデバイス（１）から収集されるＡＣエネルギーを管理するためのシステムを提供し、このシステムはコイル（４）を含み、ハーベスティングデバイス（１）の第１（７Ａ）と第２（７Ｂ）の端子間に結合される能動整流回路（Ｓ１〜Ｓ４）であって、第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ３）、及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスを含む、能動整流回路（Ｓ１〜Ｓ４）と、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）の増大を可能にするために第２（Ｓ２）及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスを閉じるための手段（１７）と、第２（Ｓ２）及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスの一方を開くため、ならびに、増大されたインダクタ電流（ＩＬｈ）が所定のしきい値（Ｉｈｒｖ）に達するのに応答して第３（Ｓ３）及び第１（Ｓ１）のスイッチング・デバイスのうちの対応する１つを閉じて、増大されたインダクタ電流（ＩＬｈ）を、第３（Ｓ３）及び第１（Ｓ１）のスイッチング・デバイスのうちの対応する１つを通じて電流受信デバイス（２４及び／又はＲＬ、ＣＬ）へ導くための手段（１７）とを含む。
【００２６】
例示の実施形態を添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来の誘導性振動エナジーハーベスタデバイスを示す簡略図である。
【００２８】
【図２】図１に示したような誘導ハーベスタのための従来技術の電力管理回路を示す概略図である。
【００２９】
【図３Ａ】振動マイクロハーベスタ及びブーストコンバータを含む、従来技術の電力管理回路を示す簡略化した概略図である。
【００３０】
【図３Ｂ】図３Ａの従来技術の電力管理回路を示す、より詳細な概略図である。
【００３１】
【図４Ａ】本発明の誘導性ハーベスタ電力管理回路を示すブロック図である。
【００３２】
【図４Ｂ】図４Ａの誘導性ハーベスタ電力管理回路を示す概略図である。
【００３３】
【図４Ｃ】図４Ｂに示した回路の動作を説明する際に有用なグラフである。
【００３４】
【図５Ａ】本発明の別の誘導性ハーベスタ電力管理回路を示す概略図である。
【００３５】
【図５Ｂ】図５Ａに示した回路の動作を説明する際に有用なグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
従来技術の図３Ａ及び図３Ｂのシステムの最初の２つの前述の問題（すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータにおける大型インダクタの要件、及び受動整流器ダイオードを横切る過度な電圧及び電力の損失）は、ダイオードＳ１、２、３、４の代わりに同期スイッチを含み、さらに図４Ａ及び４Ｂに示すような種類のスイッチ・コントローラも含む能動整流器を提供することによって解決可能である。
【００３７】
図４Ａを参照すると、電力管理システム１５−３は、導体１８とインダクタ４とも呼ばれるコイル４の端子７Ａとの間に結合されるスイッチＳ１を含む。インダクタ４の端子７Ａは、電流センサ２６の端子及びスイッチ・コントローラ１７の入力にも接続される。電流センサ２６の出力は、導体２８によってスイッチ・コントローラ１７の別の入力にも接続される。スイッチＳ２が、電流センサ２６の別の端子４７と接地との間に結合される。同様に、スイッチＳ３は、導体１８とインダクタ４の端子７Ｂとの間に結合される。インダクタ４の端子７Ｂは、電流センサ２７の一方の端子及びスイッチ・コントローラ１７の別の入力にも接続される。電流センサ２７の出力は、導体２９によって、スイッチ・コントローラ１７の別の入力と、別の端子が接地に接続されるスイッチＳ４の端子４８とに接続される。スイッチ・コントローラ１７のローサイド供給電圧端子が接地に接続される。スイッチ・コントローラ１７のハイサイド供給電圧端子（図示せず）が、導体１８又は他の使用可能な電源に接続され得る。
【００３８】
スイッチ・コントローラ１７は、インダクタ端子７Ａ及び７Ｂでそれぞれ電圧Ｖ２及びＶ４を受け取り、導体２８及び２９で電流センサ出力信号も受け取り、それらに応じて、導体２０−１、２０−２、２０−３、及び２０−４上の制御信号によって、それぞれスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４を制御する。整流された電圧ＶＬｈが導体１８に生成され、バッテリ又は負荷（図示せず）に印加される。スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４は、同期整流器として機能するように、スイッチ・コントローラ１７によって制御される。（典型的な同期整流器は、コンパレータの入力にそれぞれ接続されるその２つの主端子を有するスイッチを含み、コンパレータの出力がスイッチの制御端子に接続される。）
【００３９】
スイッチ・コントローラ１７は、バッテリ２４を充電するか又は負荷デバイスに電流を供給するための整流されたＤＣ出力電圧ＶＬｈを生成するために、収集されたＡＣ電流ＩＬｈの伝達を制御するように、スイッチＳ１〜Ｓ４の動作も決定する。まず、スイッチＳ２及びＳ４の一方が閉じられて、磁石５に対してコイル４を移動させる振動に応答して、コイル４を横切る電圧（起電力）の増大を可能にする。次に、この電圧ＶＬｈが測定される。次に、スイッチＳ２及びＳ４のうちの開いている方とは反対のスイッチＳ２又はＳ４が閉じられ、コイル４を通じた電流ＩＬｈの増大が生じる。Ｓ１をオンにＳ２をオフに、又はＳ２をオンにＳ４をオフに切り換えることによって、増大されたインダクタ電流ＩＬｈは導体１８及びバッテリ２４又は負荷デバイスへ導かれる。
【００４０】
代替の調整方法は、スイッチＳ２及びＳ４の両方をオンにした（すなわち閉じた）ままにし、それらを通じて流れるインダクタ電流ＩＬｈを、電流センサ２６又は電流センサ２７によって測定することである。ＩＬｈは、最大値又は所定値に達したとき、インダクタ電流ＩＬｈの方向に応じて、Ｓ１／Ｓ２スイッチ・ペア又はＳ３／Ｓ４スイッチ・ペアを切り換えることによって（すなわち、Ｓ２をオフにＳ１をオンに、又はＳ４をオフにＳ３をオンにすることによって）、バッテリ２４へ導かれる。
【００４１】
インダクタ電流ＩＬｈがゼロ又は他の所定値まで下がったとき、スイッチ・コントローラ１７はトグルを停止し、スイッチＳ２及びＳ４の一方をオンにする動作に戻る。このプロセスは反復されて、周囲振動に応答し、振幅及び制御モードに応じて、同じか又は反対の方向の電圧を増大させることが可能であり、その後、スイッチＳ３又はＳ１のうちの適切な一方を通じて、インダクタ電流ＩＬｈがバッテリ２４へ導かれる。
【００４２】
図４Ａで、スイッチ・コントローラ１７は、電圧モード又は電流モードで動作するように設計可能である。電圧モードでは、インダクタ４を横切る前述の電圧（すなわち起電力）は、ｅＬ＝−ｗＢｖによって得られ、この式でｗは巻き数であり、Ｂは磁場の密度であり、ｖは磁石５に対するコイル４の速度である。スイッチ・コントローラ１７は、電圧ｅＬの極性に応じてスイッチＳ２及びＳ４の一方を閉じる。電圧Ｖ２又はＶ４がピーク又は所定の値（たとえばバッテリ電圧に近い）に達すると、スイッチ・コントローラ１７は、閉じられたスイッチＳ２又はＳ４とは反対のスイッチのトグルを開始する。スイッチＳ２及びＳ４の両方が閉じられたとき、インダクタ電流ＩＬｈは、ｄＩＬｈ／ｄｔ＝ｅＬ／Ｌ１に従って上昇を開始し、ここでＬ１はコイル４のインダクタンスである。スイッチＳ２及びＳ４のうちの一方がオフのとき、インダクタ電流ＩＬｈは、これら２つのスイッチの他方、たとえばスイッチＳ２を通じて流れ、スイッチＳ３を通じてバッテリ２４へも流れる。この間に、インダクタ電流ＩＬｈは、ｄＩＬｈ／ｄｔ＝−（ＶＢＡＴ−ｅＬ）／Ｌ１に従って低下し、ここでＶＢＡＴはバッテリ２４の電圧である。
【００４３】
電圧モードでは、電圧Ｖ２又はＶ４が測定され、スイッチＳ２及びＳ４の一方を通じたインダクタ電流ＩＬｈの流れによって、それらの一方が所定のしきい値レベル又はピーク・レベルに達すると、スイッチ・コントローラ１７は、コイル４内のインダクタ電流ＩＬｈの極性に応じてスイッチＳ１及びＳ３の一方をトグルして、コイル４からバッテリ２４又は負荷へエネルギーを伝達するようにする。
【００４４】
前述の電流モードでは、スイッチＳ２及びＳ４の両方がオンである。磁石５の場を通る短絡コイル４の動きが、インダクタ４内に電流ＩＬｈ＝∫ｅＬｄｔを生成する。インダクタ電流ＩＬｈがそのピーク又は所定の値に達すると、スイッチ・コントローラ１７は、インダクタ電流ＩＬｈの極性に応じて、スイッチ１及びＳ３の一方をトグルし、それによってインダクタ・エネルギーＥＬｈ＝（Ｌ１ＩＬｈ２）／２が、コイル４からバッテリ２４又は負荷へ伝達される。
【００４５】
図４Ｂは、図４Ａの電力管理システム１５−３の別の実装１５−４を示す。図４Ｂでは、電流センサ２６及び２７が省かれ、スイッチ・コントローラ１７の細部が示されている点を除けば、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４は全般的に図４Ａに示すように接続される。スイッチ・コントローラ１７はインバータ２２を含み、その出力が導体２０２によってスイッチＳ１の制御端子に接続される。インバータ２２の入力は、導体２０−２によって、スイッチＳ２の制御端子と、反転入力が接地に接続されるヒステリシスコンパレータＡ１の出力とに接続される。コンパレータＡ１の非反転入力は、インダクタ端子７Ｂに接続される。インバータ２３が、導体２０−３によってスイッチＳ３の制御端子に接続される出力を有する。インバータ２３の入力は、導体２０−４によって、スイッチＳ４の制御端子とヒステリシスコンパレータＡ０の出力とに接続される。コンパレータＡ０の反転入力は接地に接続され、その非反転入力はインダクタ端子７Ａに接続される。コンパレータＡ０及びＡ１の各々は、従来型の履歴（すなわちヒステリシス）コンパレータであってよい。導体１８と接地との間にバッテリ（及び／又は負荷）が接続される。
【００４６】
初めに、図４Ｂのスイッチ・コントローラ１７は、スイッチＳ２及びＳ４を閉じて、コイル端子７Ａ及び７Ｂの両方を接地に短絡させ、それによってコイル４を短絡させ、インダクタ４内の振動の運動エネルギーが磁気エネルギーに変換されるようにする。スイッチＳ１〜４の「オン」抵抗を横切る電圧降下は、内部の電流に比例し、ヒステリシスコンパレータＡ０及びＡ１は、図４Ｃの部分３１−１で示すインダクタ電流ＩＬｈの大きさが、点線３２で示すしきい値に達したとき状態を変更し、その後、部分３１−２で示すようにゼロまで降下する。その後、インダクタ電流ＩＬｈは、図４Ｃに示す第２の部分３１−１で示すように再び上昇を開始する。スイッチＳ１〜Ｓ４の状態は、図４Ａの電力管理システム１５−３及び図４Ｂの１５−４の動作の異なる部分についても、図４Ｃに示されている。
【００４７】
より具体的に言えば、図４Ｂのスイッチ・コントローラ１７は、収集されるＡＣ信号ＩＬｈの同期整流と、バッテリ２４又は負荷デバイスを充電するためのＤＣ出力ＶＬｈへのブースト及びその変換とを制御するために、スイッチＳ１〜Ｓ４の動作を決定する。インダクタ電流ＩＬｈの大きさがしきい値Ｉｈｒｖ（又はＩｈｒｖ）に達したとき、コンパレータＡ０（又はＡ１）はスイッチＳ４をオフに、スイッチＳ３をオンにして（あるいは、コンパレータＡ１がスイッチＳ２をオフにスイッチＳ１をオンにして）、初めにインダクタ４に蓄積された振動エネルギーが、図４Ｃに示すように、導体１８を介してバッテリ２４に印加される電圧ＶＬｈの波形ならびに収集された導体電流ＩＬｈの波形で示すように、バッテリ２４に伝達される。
【００４８】
たとえば、スイッチＳ２及びＳ４が閉じられて、磁気５に対してコイル４を移動させる振動に応答して、インダクタ電流ＩＬｈの増大を可能にする。図４Ｂに示すインダクタ電流方向について、増大されたインダクタ電流ＩＬｈは、その後、実際には、スイッチＳ４の「オン」抵抗ＲＯＮを横切って生成する電圧Ｖ４の値によって測定される。Ｖ４がコンパレータＡ１の第１のしきい値を超えるとき、状態が変更される。これによってスイッチＳ４は開かれ、インバータ２３にも対応するスイッチＳ３を閉じさせるため、これにより、増大されたインダクタ電流ＩＬｈが導体１８を通じてバッテリ２４内へ導かれる。インダクタ電流ＩＬｈがバッテリ２４内へ流れると、その値は徐々にゼロまで下がり、実際にはウィンドウコンパレータＡ１をリセットし、スイッチＳ３が開かれ、スイッチＳ４が閉じられるようにする。これにより、周囲振動に応答して、反対方向又は負の方向のインダクタ電流ＩＬｈの増大が可能になる。
【００４９】
負の方向の増大されたインダクタ電流ＩＬｈは、その後、実際には、インダクタ電流ＩＬｈによってスイッチＳ２の「オン」抵抗ＲＯＮを横切って生成される電圧Ｖ２の値によって測定される。Ｖ２がコンパレータＡ０の第１のしきい値を超えるとき、状態が変更される。これによって、スイッチ・コントローラ１７にスイッチＳ２を開かせ、更に、インバータ２２にスイッチＳ１を閉じさせ、これにより、増大された負の方向のインダクタ電流ＩＬｈが導体１８を通じてバッテリ２４（及び／又は負荷）内へ導かれる。負の方向のインダクタ電流ＩＬｈがバッテリ２４内へ流れると、その値は徐々にゼロまで下がり、実際にはウィンドウコンパレータＡ０をリセットして、スイッチＳ１が開かれローサイドスイッチＳ２が閉じられるようにする。
【００５０】
前述のプロセスは、適切な周囲振動が続行する限り反復される。
【００５１】
Ｉｈｒｖの値は、好ましくは、調整可能であり、コイル４内の収集された電流Ｉｈｒｖの導関数によって決まる。動的損失を最小にするために、コイル４内の電流がその最大絶対値又はその最小絶対値であるときにのみエネルギー伝達が発生するべきである。図４Ｃのグラフで、Ｉｈｒｖの最小値は最小収集可能エネルギーに対応する。最小収集可能エネルギーＩｈｒｖは、スイッチ、コンパレータ、インダクタなどにおけるスイッチング損失の量よりもはるかに大きくすべきである。コンパレータＡ０及びＡ１は、非常に低い電圧入力信号（たとえば、数十ミリボルト）で機能することができる。こうした低電圧入力信号から入手可能な少量のオーバードライブで要求される動作速度を達成するために、コンパレータＡ０及びＡ１の電流消費は必然的に過度となる。
【００５２】
エネルギーが収集されている周囲振動がＩＬｈ＜＜Ｉｈｒｖとなるように小さいとき、アイドル又はスタンバイ電力を低減するために、図５Ａの構造を使用することができる。図５Ａでは、コンパレータＡ０及びＡ１はＡＣ収集電流サイクルの開始時にはディスエーブルされており、スイッチＳ１、Ｓ２、及びＳ３はオフである（すなわち開かれている）。
【００５３】
図５Ａで、いくつかの応用例では、バッテリ２４を時折充電する必要があるのみならず、負荷レジスタＲＬ及び負荷キャパシタＣＬを含む負荷に供給される電圧ＶＬＯＡＤを時折供給及び調整する必要があるため、電流センサ２６及び２７を使用することができる。この場合、充電及び調整の両方のタスクを達成するために、スイッチＳ５及びＳ６が図４Ａの構造に追加される。スイッチＳ５が、インダクタ端子７Ａと導体３５との間に接続され、導体３５は、負荷レジスタＲＬ及び負荷キャパシタＣＬを含む負荷に印加される負荷電圧Ｖｌｏａｄを導く。スイッチＳ５の制御端子は、導体２０−５によってスイッチ制御回路１７Ａに接続される。同様に、スイッチＳ６が、インダクタ端子７Ｂと導体３５との間に接続される。スイッチＳ６の制御端子は、導体２０−６によってスイッチ制御回路１７Ａに接続される。
【００５４】
バッテリ２４の充電が必要なとき、図５Ａの回路１５−５は、図４Ａ又は図４Ｂの前述の回路１５−４とまったく同様に動作可能である。
【００５５】
しかしながら、負荷ＲＬ、ＣＬを動作させる必要があるとき、スイッチ・コントローラ１７Ａは、スイッチＳ１又はスイッチＳ３の代わりにスイッチＳ５又はＳ６をトグルするように動作する。すると、インダクタ４からのエネルギーが、バッテリ２４の代わりに負荷ＲＬ、ＣＬへ伝達される。たとえば現在エネルギーが収集されていないために、現在インダクタ４内にエネルギーがない場合、スイッチ・コントローラ１７Ａは、充電されたバッテリ２４からのエネルギーを使用し、ＶＢＡＴが負荷ＲＬ、ＣＬによって要求される電圧Ｖｌｏａｄよりも大きいか又は小さいかに応じて、インダクタ４及びスイッチＳ１〜４を降圧コンバータ又はブーストコンバータとして構成するように動作可能である。（降圧／ブーストコンバータ回路の制御に関する詳細な情報は、本願の所有者が所有する前述の米国特許第６，２７５，０１６号に提示されている。）
【００５６】
例として、現在エネルギーが収集されていない場合、スイッチ・コントローラ１７ＡはスイッチＳ３を閉じて、スイッチＳ５及びＳ２をトグルして、要求される負荷電圧ＶｌｏａｄがＶＢＡＴよりも大きい場合にこれらのスイッチならびにコイル４がブーストコンバータとして動作するようにすることが可能である。あるいは、スイッチ・コントローラ１７Ａは、スイッチＳ５を閉じてスイッチＳ３及びＳ４をトグルすることが可能であり、その後これらのスイッチ及びインダクタ４は、バッテリ電圧又は負荷によって要求される電圧がより大きいかどうかに応じて、降圧コンバータとして動作するように構成される。
【００５７】
収集されたエネルギーが使用可能である場合、スイッチ・コントローラ１７Ａは、Ｓ２／Ｓ４又はＳ１／Ｓ３のスイッチ・ペアを前述のようにトグルするとき、収集されたエネルギーを、スイッチＳ５又はＳ６を通じてバッテリ２４の代わりに負荷ＲＬ、ＣＬへ搬送することができる。
【００５８】
いずれの場合も、ハーベスタコイル４のインダクタンスＬ１は、実際には、エナジーハーベスタ１と、ＤＣ−ＤＣコンバータとして機能する図５Ａの一部との間で、タイムシェアされる。これにより、コストのかかる通常のインダクタをブーストコンバータ又は降圧コンバータに提供することが回避される。
【００５９】
コイル電流（ＩＬｈ）及び出力電圧（ＶＬｈ）の波形が図５Ｂに示されている。スイッチＳ１〜Ｓ４の状態は、図５Ａの電力管理システム１５−４の動作の異なる部分に関しても、図５Ｂに示されている。
【００６０】
このように本発明は、高効率の同期整流、及びＩＬｈのＤＣ−ＤＣ変換をも達成するように、収集されたＡＣ信号ＩＬｈを生成するためにエナジーハーベスタ１のインダクタ４を利用するように、様々のスイッチを用いる。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ内で使用するためにのみ外部インダクタを提供する費用が回避される。これは、ＤＣ−ＤＣコンバータ用の追加の外部インダクタを必要とする従来技術とは対照的である。
【００６１】
例示の実施例の文脈で説明したような特徴又はステップのすべて又はその幾つかを有する例示の実施例の文脈で説明した一つ又は複数の特徴又はステップの異なる組み合わせを有する実施例も、本明細書に包含されることを意図している。当業者であれば、多くの他の実施形態及び変形も、本発明の特許請求の範囲内で可能であることを理解されよう。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、誘導タイプのエナジーハーベスタ（harvester）をＤＣ−ＤＣコンバータと共に利用することに関し、より具体的には、誘導エナジーハーベスティングのためにエナジーハーベスタのインダクタンスを使用するため、及び、エナジーハーベスタ出力のＤＣ−ＤＣ変換を実行するための、スイッチング回路と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導タイプの振動エナジーハーベスタ１の基本構造が、図１に示されている。これは、質量ｍと、ばね２の一方の端部上に懸架された関連するコイル又はインダクタ４とを含む。質量ｍ及びコイル４は、磁石５に対して速度ｖで移動する。ばね２の他方の端部及び磁石５は、支持体６によって支持される。（コイルは、磁石の動きに対して静止しているか、又はその逆であり得る。）コイル４及び関連する質量ｍが磁場内を速度ｖで移動すると、それらの運動エネルギーＥｋ＝（ｍｖ２）／２はバネ２内の位置エネルギーに変換され、次にこれが電磁エネルギーＥＬｈ＝ｅＬ＝（ＬｈＩＬｈ２）／２に変換される。コイル内の起電力ｅＬは、磁場を通過するその動きの速度ｖによって定義され、ｅＬ＝−ｗ×Ｂ×ｖによって得られ、この式でｗはコイルの巻き数であり、Ｂは磁場密度であり、ｖは磁石５に対するコイル４の速度である。このＡＣ電流の周波数は振動の周波数であり、典型的には６０から１２０Ｈｚ、現時点での最新式では最大で約２０００Ｈｚである。より一般には、収集されるＡＣ電流の最大周波数は、最大で、電力管理回路で使用されているスイッチのスイッチング周波数の約１０倍となる。
【０００３】
誘導タイプのエナジーハーベスタ１を含む既知の電力管理回路１０が、図２に示されている。電力管理回路１０は、整流器及び低ドロップアウト（ＬＤＯ）レギュレータも含む。ダイオードＳ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４を含む受動整流器が、誘導エナジーハーベスタ１によって端子７Ａと７Ｂとの間に生成されるＡＣ出力信号を整流する。ダイオードＳ１のカソードはＶＤＤに接続され、そのアノードは端子７ＡによってダイオードＳ３のカソードに接続され、ダイオードＳ３のアノードは接地に接続される。ダイオードＳ２のカソードは導体１８に接続される。ダイオードＳ２のアノードは、端子７ＢによってダイオードＳ４のカソードに接続され、ダイオードＳ４のアノードは接地に接続される。ＶＤＤと接地との間にフィルタ・キャパシタＣ０が接続される。ＬＤＯレギュレータ１１などのＤＣ−ＤＣコンバータがＶＤＤと接地との間に接続されて、出力導体１２上に調整済み出力電力ＶＣＡＰを生成する。出力導体１２と接地との間に負荷キャパシタＣＬが接続される。ＬＤＯ１１は、ＶＤＤと出力導体１２との間に接続されるＰチャネル・トランジスタＭ１を含む。ＶＤＤとツェナー・ダイオードＤのカソードとの間にレジスタＲが接続され、ツェナー・ダイオードＤのアノードは接地に接続される。レジスタＲとツェナー・ダイオードＤとの間の接合は、トランジスタＭ１のゲートに接続される。
【０００４】
誘導エナジーハーベスタ１の出力インピーダンスとエネルギー蓄積回路の入力キャパシタンスとが、蓄積キャパシタＣＬ上の電圧がどのような速さで上昇するかを決定する、典型的にはおよそ２０秒の時定数を有する、レジスタ・キャパシタネットワークを形成する。したがって、低振動レベルでは、振動スペクトルを獲得し、それを伝送するのに充分なエネルギーになるまでに、数分かかる可能性がある。この問題を回避するために、すべて図２のＬＤＯレギュレータ１１の、レジスタＲ２、ツェナー・ダイオードＤ５、及びトランジスタＭ１は、大型蓄積キャパシタＣＬをＣ０から分離する。これによって、電圧ＶＤＤは、それ自体をずっと速く、たとえば３０倍速く確立することができる。
【０００５】
図２の誘導ハーベスタ電力管理システム１０は、整流器ダイオード内での損失により、その収集効率が低いという欠点を有する。他の欠点は、非常に低い振動レベル（たとえば、ＶＤＤ＜ＶＣＡＰであるとき）では、フィルタ・キャパシタＣ０を適切に充電するのに充分な電圧を発生させないため、エネルギーがまったく収集できないことである。
【０００６】
従来技術の図２における電力管理システム１０の効率は、インダクタを含むＤＣ−ＤＣコンバータを使用することによって改善することが可能であり、低振動レベル収集能力は、従来技術の図３Ａ及び図３Ｂに示されるようなブースト・タイプのＤＣ−ＤＣコンバータを選択することによって改善することが可能である。
【０００７】
図３Ａで、従来技術の電力管理回路１５−１が、たとえば図１に示したような誘導エナジーハーベスタ１を含む。ダイオードＳ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４を含む受動整流器が、その端子７Ａと７Ｂとの間の誘導エナジーハーベスタ１によって生成されるＡＣ出力信号を整流する。ダイオードＳ１のカソードは導体１８に接続され、そのアノードは端子７ＡによってダイオードＳ２のカソードに接続され、ダイオードＳ２のアノードは接地に接続される。ダイオードＳ３のカソードは導体１８に接続される。ダイオードＳ３のアノードは端子７ＢによってダイオードＳ４のカソードに接続され、ダイオードＳ４のアノードは接地に接続される。導体１８と接地との間にフィルタ・キャパシタＣ０が接続される。
【０００８】
電力管理回路１５−１は、インダクタＬ１、スイッチＳ５、ダイオードＳ６、及びスイッチ制御回路１７を含むブーストコンバータ回路も含む。インダクタＬ１の第１の端子が、エナジーハーベスタ１及び受動整流器Ｓ１、２、３、４によって導体１８上に生成される整流された電圧ＶＬ１を受信するように接続される。ＶＬ１は、スイッチ制御回路１７の入力にも印加される。インダクタＬ１の他方の端子は、導体１６によって、スイッチＳ５の一方の端子に及びダイオードＳ６のアノードに接続される。スイッチＳ５の制御電極は、導体１４によってスイッチ制御回路１７の出力に接続される。
【０００９】
図３Ｂは、図３Ａの電力管理システム１５−１のより詳細な実装１５−２を示す。図３Ｂでは、従来技術の電力管理システム１５−２が、図３Ａと同様に接続された、誘導又は振動ハーベスタ１及び受動整流器Ｓ１、２、３、４を含む。図３Ｂのスイッチ制御回路１７は、しきい値電圧Ｖｈｒｖを受信するように結合される反転入力と、導体１８上のＶＬ１を受信するように接続される非反転入力とを有するコンパレータＡ０を含み、ＶＬ１がＶｈｒｖを超えるとき、ＤＣ−ＤＣブーストコンバータ回路のブースト動作が発生するようになっている。コンパレータＡ０の出力は、論理回路１３の入力に接続される。論理回路１３の別の入力は、従来の電圧感知回路によって供給される「バッテリ充電」又は「バッテリ・フル」入力信号を受信する。図３Ｂにおいて、スイッチＳ５の下側端子は、電流センサ１３の一方の端子に結合され、電流センサ１３の端子は接地に接続される。電流センサ１３の出力が、コンパレータＡ１の反転入力に接続され、コンパレータＡ１はその非反転入力上で基準しきい値Ｉｍａｘを受信する。コンパレータＡ１の出力は、論理回路１３の別の入力に接続される。論理回路１３の出力は、導体１４によってスイッチＳ５の制御端子に接続される。図３Ａに示されるようなダイオードＳ６が、図３Ｂでは、出力導体１９と導体１６との間に結合され、制御端子がコンパレータＡ２の出力に結合されるスイッチＳ６を含む同期整流器によって実装され、コンパレータＡ２は、出力導体１９に接続される反転入力と導体端子１６に接続される非反転入力とを有する。
【００１０】
従来技術の図３Ａ及び図３Ｂの電力管理システムは、従来技術の図２のＬＤＯレギュレータをブーストコンバータに置き換える。図３Ａ及び図３Ｂの電力管理回路１５−１及び１５−２は、典型的には大型で高価な外部構成要素である、インダクタ（Ｌ１）を必要とする。図３Ａ及び図３Ｂのシステムは、受動整流器Ｓ１、２、３、４の４つのダイオードにおいて、過度の電圧及び電力損失という欠点も有する。さらに、調整済みの供給電圧を供給するために、バッテリと負荷との間に別のＤＣ−ＤＣコンバータ又はＬＤＯレギュレータが必要となる。
【００１１】
関連する背景は、「降圧ブーストスイッチングレギュレータ（Buck-Boost
Switching Regulator）」という名称の米国特許第６，２７５，０１６号にも記載されている。
【００１２】
したがって、誘導エナジーハーベスタによって生成されるＡＣ出力を変換するためのＤＣ−ＤＣコンバータで使用される、コイル又はインダクタにおける改良が求められている。
【発明の概要】
【００１３】
実施形態の例は、ハーベスティングデバイス（１）から収集されるＡＣエネルギーを管理するためのシステムを提供し、このシステムはコイル（４）を含み、コイル（４）の第１（７Ａ）の端子と第２（７Ｂ）の端子間に結合されるスイッチング回路（Ｓ１〜Ｓ４）を含む。スイッチング回路は、第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ）、及び第４（４）のスイッチを含む。スイッチ・コントローラ（１７）が、第２及び第４のスイッチを閉じてコイル内の電流（ＩＬｈ）の増大を可能にし、第２及び第４のスイッチの一方を開き、増大されたインダクタ電流が所定のしきい値（Ｉｈｒｖ）に達するのに応答して第３及び第１のスイッチのうちの対応する１つを閉じて、増大されたインダクタ電流を、第３及び第１のスイッチのうちの前記対応する１つを通じて電流受信デバイス（２４及び／又はＲＬ、ＣＬ）へ導く。
【００１４】
一実施形態は、コイル（４）を含むハーベスティングデバイス（１）から収集されるＡＣエネルギーを管理するためのシステム（１５−３、４、５）を提供し、このシステムは、ハーベスティングデバイス（１）の第１（７Ａ）の端子と第２（７Ｂ）の端子間に結合される整流回路（Ｓ１〜Ｓ４）を含む。整流回路（Ｓ１〜Ｓ４）は、整流された電圧（ＶＬｈ）を導くための出力導体（１８）に結合される第１の電極とコイル（４）の第１の端子（７Ａ）に結合される第２の電極とを有する第１のスイッチング・デバイス（Ｓ１）、コイル（４）の第１の端子（７Ａ）に結合される第１の電極と基準電圧（ＧＮＤ）に結合される第２の電極とを有する第２のスイッチング・デバイス（Ｓ２）、出力導体（１８）に結合される第１の電極とコイル（４）の第２の端子（７Ｂ）に結合される第２の電極とを有する第３のスイッチング・デバイス（Ｓ１）、及びコイル（４）の第２の端子（７Ｂ）に結合される第１の電極と基準電圧（ＧＮＤ）に結合される第２の電極とを有する第４のスイッチング・デバイス（Ｓ４）を含む。整流された電圧（ＶＬｈ）を変換するためのＤＣ変換回路が、それぞれコイルの第１（７Ａ）及び第２（７Ｂ）の端子に結合される第１及び第２の入力と、それぞれ、第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ３）、及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスの制御電極に結合される、第１（２０−１）、第２（２０−２）、第３（２０−３）、及び第４（２０−４）の出力とを有するスイッチ制御回路（１７）を含む。ＤＣ変換回路は、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）の増大を可能にするために第２（Ｓ２）及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスを閉じること、第２（Ｓ２）及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスの一方を開くこと、ならびに、増大されたインダクタ電流（ＩＬｈ）が所定のしきい値（Ｉｈｒｖ）に達するのに応答して第３（Ｓ３）及び第１（Ｓ１）のスイッチング・デバイスのうちの対応する１つを閉じて、増大されたインダクタ電流（ＩＬｈ）を、第３（Ｓ３）及び第１（Ｓ１）のスイッチング・デバイスのうちの前記対応する１つを通じて電流受信デバイス（２４及び／又はＲＬ、ＣＬ）へ導くことによって、整流された電圧（ＶＬｈ）を変換する。
【００１５】
説明される実施形態では、ＤＣ変換回路は、整流された電圧（ＶＬｈ）をステップアップさせるように機能する。別の説明される実施形態では、ＤＣ変換回路は、整流された電圧（ＶＬｈ）をステップダウンさせるように機能する。
【００１６】
説明される実施形態では、スイッチ制御回路（１７）は、基準電圧（ＧＮＤ）に結合される反転入力と、コイル（４）の第２の端子（７Ｂ）に結合される非反転入力と、第１（Ｓ１）及び第２（Ｓ２）のスイッチング・デバイスを制御するよう結合される出力（２０−２）とを有する第１のコンパレータ（Ａ１）を含む。一実施形態では、スイッチ制御回路（１７）は、第１のスイッチング・デバイス（Ｓ１）の制御電極（２０−１）に結合される出力を有する第１のインバータ（２２）、基準電圧（ＧＮＤ）に結合される反転入力と、コイル（４）の第１の端子（７Ａ）に結合される非反転入力と、第４（Ｓ４）及び第３（Ｓ３）のスイッチング・デバイスを制御するように結合される出力（２０−４）とを有する第２のコンパレータ（Ａ０）、及び第３のスイッチング・デバイス（Ｓ３）の制御電極（２０−３）に結合される出力を有する第２のインバータ（２３）を含む。第４のスイッチング・デバイス（Ｓ４）は、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）がコイルから第４のスイッチング・デバイス（Ｓ４）を通じて流れるとき、第２の端子（７Ｂ）上に第１の電圧（Ｖ４）を生成させるオン抵抗（ＲＯＮ）を有し、第２のスイッチング・デバイス（Ｓ２）は、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）がコイルから第２のスイッチング・デバイス（Ｓ２）を通じて流れるとき、第１の端子（７Ａ）上に第２の電圧（Ｖ２）を生成させるオン抵抗（ＲＯＮ）を有する。
【００１７】
一実施形態では、第１のコンパレータ（Ａ１）は、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）が、第１の電圧（Ｖ４）に第１のコンパレータ（Ａ１）の第１のしきい値を超えさせるほど充分に第１の方向で増大したとき状態を変更して、第４のスイッチング・デバイス（Ｓ４）を開き、第３のスイッチング・デバイス（Ｓ３）を閉じて、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）を第３のスイッチ（Ｓ３）を通じて出力導体（１８）内へ導くように状態を変更させる。第１のコンパレータ（Ａ１）は、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）が、第１の電圧（Ｖ４）に第１のコンパレータ（Ａ１）の第２のしきい値を下回らせるほど充分に低下したとき再び状態を変更して、第４のスイッチング・デバイス（Ｓ４）を閉じ、第３のスイッチング・デバイス（Ｓ３）を開いて、コイル（４）を通じた第２の方向での電流（ＩＬｈ）の増大を可能にするように状態を変更させる。第２のコンパレータ（Ａ０）は、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）が、第２の電圧（Ｖ２）に第２のコンパレータ（Ａ０）の第１のしきい値を超えさせるほど充分に第２の方向で増大したとき状態を変更して、第２のスイッチング・デバイス（Ｓ２）を開き、第１のスイッチング・デバイス（Ｓ１）を閉じて、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）を第１のスイッチ（Ｓ１）を通じて出力導体（１８）内へ導くように状態を変更させる。第２のコンパレータ（Ａ０）は、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）が、第２の電圧（Ｖ２）に第２のコンパレータ（Ａ０）の第２のしきい値を下回らせるほど充分に低下したとき再び状態を変更して、第２のスイッチング・デバイス（Ｓ２）を閉じ、第３のスイッチング・デバイス（Ｓ１）を開いて、コイル（４）を通じた第１の方向での電流（ＩＬｈ）の増大を可能にするように状態を変更させる。
【００１８】
一実施形態では、負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）を導くための負荷導体（３５）に負荷（ＲＬ、ＣＬ）が結合される。第５のスイッチング・デバイス（Ｓ５）が、コイル（４）の第１の端子（７Ａ）に結合される第１の電極と、負荷導体（３５）に結合される第２の電極と、スイッチ制御回路（１７、１７Ａ）に結合される制御電極とを有する。第６のスイッチング・デバイス（Ｓ６）が、コイル（４）の第２の端子（７Ｂ）に結合される第１の電極と、負荷導体（３５）に結合される第２の電極と、スイッチ制御回路（１７Ａ）に結合される制御電極とを有する。スイッチ制御回路（１７Ａ）は、負荷（ＲＬ、ＣＬ）によって要求される負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）がバッテリ電圧（ＶＢＡＴ）を下回る場合、バッテリ（２４）から負荷（ＲＬ、ＣＬ）へエネルギーを伝達するために、第５（Ｓ５）及び第６（Ｓ６）のスイッチング・デバイスのうちの一方又は他方を閉じるように動作する。
【００１９】
一実施形態では、負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）を導くための負荷導体（３５）に負荷（ＲＬ、ＣＬ）が結合される。第５のスイッチング・デバイス（Ｓ５）が、コイル（４）の第１の端子（７Ａ）に結合される第１の電極と、負荷導体（３５）に結合される第２の電極と、スイッチ制御回路（１７Ａ）に結合される制御電極とを有する。第６のスイッチング・デバイス（Ｓ６）が、コイル（４）の第２の端子（７Ｂ）に結合される第１の電極と、負荷導体（３５）に結合される第２の電極と、スイッチ制御回路（１７Ａ）に結合される制御電極とを有する。スイッチ制御回路（１７）は、コイル（４）から負荷（ＲＬ、ＣＬ）へエネルギーを伝達するためにコイル（４）内でエネルギーが使用可能な場合、第５（Ｓ５）及び第６（Ｓ６）のスイッチング・デバイスのうちの一方又は他方を閉じるように動作する。
【００２０】
一実施形態では、スイッチ制御回路（１７Ａ）は、コイル（４）ならびに第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ３）、及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスを、要求される負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）がバッテリ電圧（ＶＢＡＴ）を超える場合はブーストコンバータとして、また、要求される負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）がバッテリ電圧（ＶＢＡＴ）を下回る場合は降圧コンバータとして、構成するように動作する。
【００２１】
一実施形態は、コイル（４）を含むハーベスティングデバイス（１）から収集されるＡＣエネルギーを管理するための方法を提供し、この方法は、コイル（４）の第１（７Ａ）と第２（７Ｂ）の端子間に結合されるスイッチング回路（Ｓ１〜Ｓ４）を提供することであって、このスイッチング回路（Ｓ１〜Ｓ４）が、第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ３）、及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスを含むこと、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）の増大を可能にするために第２（Ｓ２）及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスを閉じること、第２（Ｓ２）及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスの一方を開くこと、及び、増大されたインダクタ電流（ＩＬｈ）が所定のしきい値（Ｉｈｒｖ）に達するのに応答して第３（Ｓ３）及び第１（Ｓ１）のスイッチング・デバイスのうちの対応する１つを閉じて、増大されたインダクタ電流（ＩＬｈ）を、第３（Ｓ３）及び第１（Ｓ１）のスイッチング・デバイスのうちの前記対応する１つを通じて電流受信デバイス（２４及び／又はＲＬ、ＣＬ）へ導くことを含む。
【００２２】
一実施形態では、この方法は、負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）を導くために負荷（ＲＬ、ＣＬ）を負荷導体（３５）に結合すること、第５のスイッチング・デバイス（Ｓ５）をコイル（４）の第１の端子（７Ａ）と負荷導体（３５）との間に結合すること、第６のスイッチング・デバイス（Ｓ６）をコイル（４）の第２の端子（７Ｂ）と負荷導体（３５）との間に結合すること、ならびに、負荷（ＲＬ、ＣＬ）によって要求される負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）がバッテリ電圧（ＶＢＡＴ）を下回る場合、バッテリ（２４)から負荷（ＲＬ、ＣＬ）へエネルギーを伝達するために、第５（Ｓ５）及び第６（Ｓ６）のスイッチング・デバイスの一方を閉じるようにスイッチ制御回路（１７Ａ）を動作させることを含む。
【００２３】
一実施形態では、この方法は、コイル（４）ならびに第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ３）、及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスを、要求される負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）がバッテリ電圧（ＶＢＡＴ）を超える場合はブーストコンバータとして、また、要求される負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）がバッテリ電圧（ＶＢＡＴ）を下回る場合は降圧コンバータとして構成するように、スイッチ制御回路（１７Ａ）を動作させることを含む。
【００２４】
一実施形態では、この方法は、負荷電圧（ＶＬＯＡＤ）を導くために負荷（ＲＬ、ＣＬ）を負荷導体（３５）に結合すること、第５のスイッチング・デバイス（Ｓ５）をコイル（４）の第１の端子（７Ａ）と負荷導体（３５）との間に結合すること、第６のスイッチング・デバイス（Ｓ６）をコイル（４）の第２の端子（７Ｂ）と負荷導体（３５）との間に結合すること、ならびに、コイル（４）から負荷（ＲＬ、ＣＬ）へエネルギーを伝達するためにコイル（４）内でエネルギーが使用可能な場合、バッテリ（２４)から負荷（ＲＬ、ＣＬ）へエネルギーを伝達するために、第５（Ｓ５）及び第６（Ｓ６）のスイッチング・デバイスのうちの一方又は他方を閉じるようにスイッチ制御回路（１７Ａ）を動作させることを含む。
【００２５】
一実施形態は、ハーベスティングデバイス（１）から収集されるＡＣエネルギーを管理するためのシステムを提供し、このシステムはコイル（４）を含み、ハーベスティングデバイス（１）の第１（７Ａ）と第２（７Ｂ）の端子間に結合される能動整流回路（Ｓ１〜Ｓ４）であって、第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ３）、及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスを含む、能動整流回路（Ｓ１〜Ｓ４）と、コイル（４）内の電流（ＩＬｈ）の増大を可能にするために第２（Ｓ２）及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスを閉じるための手段（１７）と、第２（Ｓ２）及び第４（Ｓ４）のスイッチング・デバイスの一方を開くため、ならびに、増大されたインダクタ電流（ＩＬｈ）が所定のしきい値（Ｉｈｒｖ）に達するのに応答して第３（Ｓ３）及び第１（Ｓ１）のスイッチング・デバイスのうちの対応する１つを閉じて、増大されたインダクタ電流（ＩＬｈ）を、第３（Ｓ３）及び第１（Ｓ１）のスイッチング・デバイスのうちの対応する１つを通じて電流受信デバイス（２４及び／又はＲＬ、ＣＬ）へ導くための手段（１７）とを含む。
【００２６】
例示の実施形態を添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来の誘導性振動エナジーハーベスタデバイスを示す簡略図である。
【００２８】
【図２】図１に示したような誘導ハーベスタのための従来技術の電力管理回路を示す概略図である。
【００２９】
【図３Ａ】振動マイクロハーベスタ及びブーストコンバータを含む、従来技術の電力管理回路を示す簡略化した概略図である。
【００３０】
【図３Ｂ】図３Ａの従来技術の電力管理回路を示す、より詳細な概略図である。
【００３１】
【図４Ａ】本発明の誘導性ハーベスタ電力管理回路を示すブロック図である。
【００３２】
【図４Ｂ】図４Ａの誘導性ハーベスタ電力管理回路を示す概略図である。
【００３３】
【図４Ｃ】図４Ｂに示した回路の動作を説明する際に有用なグラフである。
【００３４】
【図５Ａ】本発明の別の誘導性ハーベスタ電力管理回路を示す概略図である。
【００３５】
【図５Ｂ】図５Ａに示した回路の動作を説明する際に有用なグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
従来技術の図３Ａ及び図３Ｂのシステムの最初の２つの前述の問題（すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータにおける大型インダクタの要件、及び受動整流器ダイオードを横切る過度な電圧及び電力の損失）は、ダイオードＳ１、２、３、４の代わりに同期スイッチを含み、さらに図４Ａ及び４Ｂに示すような種類のスイッチ・コントローラも含む能動整流器を提供することによって解決可能である。
【００３７】
図４Ａを参照すると、電力管理システム１５−３は、導体１８とインダクタ４とも呼ばれるコイル４の端子７Ａとの間に結合されるスイッチＳ１を含む。インダクタ４の端子７Ａは、電流センサ２６の端子及びスイッチ・コントローラ１７の入力にも接続される。電流センサ２６の出力は、導体２８によってスイッチ・コントローラ１７の別の入力にも接続される。スイッチＳ２が、電流センサ２６の別の端子４７と接地との間に結合される。同様に、スイッチＳ３は、導体１８とインダクタ４の端子７Ｂとの間に結合される。インダクタ４の端子７Ｂは、電流センサ２７の一方の端子及びスイッチ・コントローラ１７の別の入力にも接続される。電流センサ２７の出力は、導体２９によって、スイッチ・コントローラ１７の別の入力と、別の端子が接地に接続されるスイッチＳ４の端子４８とに接続される。スイッチ・コントローラ１７のローサイド供給電圧端子が接地に接続される。スイッチ・コントローラ１７のハイサイド供給電圧端子（図示せず）が、導体１８又は他の使用可能な電源に接続され得る。
【００３８】
スイッチ・コントローラ１７は、インダクタ端子７Ａ及び７Ｂでそれぞれ電圧Ｖ２及びＶ４を受け取り、導体２８及び２９で電流センサ出力信号も受け取り、それらに応じて、導体２０−１、２０−２、２０−３、及び２０−４上の制御信号によって、それぞれスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４を制御する。整流された電圧ＶＬｈが導体１８に生成され、バッテリ又は負荷（図示せず）に印加される。スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４は、同期整流器として機能するように、スイッチ・コントローラ１７によって制御される。（典型的な同期整流器は、コンパレータの入力にそれぞれ接続されるその２つの主端子を有するスイッチを含み、コンパレータの出力がスイッチの制御端子に接続される。）
【００３９】
スイッチ・コントローラ１７は、バッテリ２４を充電するか又は負荷デバイスに電流を供給するための整流されたＤＣ出力電圧ＶＬｈを生成するために、収集されたＡＣ電流ＩＬｈの伝達を制御するように、スイッチＳ１〜Ｓ４の動作も決定する。まず、スイッチＳ２及びＳ４の一方が閉じられて、磁石５に対してコイル４を移動させる振動に応答して、コイル４を横切る電圧（起電力）の増大を可能にする。次に、この電圧ＶＬｈが測定される。次に、スイッチＳ２及びＳ４のうちの開いている方とは反対のスイッチＳ２又はＳ４が閉じられ、コイル４を通じた電流ＩＬｈの増大が生じる。Ｓ１をオンにＳ２をオフに、又はＳ２をオンにＳ４をオフに切り換えることによって、増大されたインダクタ電流ＩＬｈは導体１８及びバッテリ２４又は負荷デバイスへ導かれる。
【００４０】
代替の調整方法は、スイッチＳ２及びＳ４の両方をオンにした（すなわち閉じた）ままにし、それらを通じて流れるインダクタ電流ＩＬｈを、電流センサ２６又は電流センサ２７によって測定することである。ＩＬｈは、最大値又は所定値に達したとき、インダクタ電流ＩＬｈの方向に応じて、Ｓ１／Ｓ２スイッチ・ペア又はＳ３／Ｓ４スイッチ・ペアを切り換えることによって（すなわち、Ｓ２をオフにＳ１をオンに、又はＳ４をオフにＳ３をオンにすることによって）、バッテリ２４へ導かれる。
【００４１】
インダクタ電流ＩＬｈがゼロ又は他の所定値まで下がったとき、スイッチ・コントローラ１７はトグルを停止し、スイッチＳ２及びＳ４の一方をオンにする動作に戻る。このプロセスは反復されて、周囲振動に応答し、振幅及び制御モードに応じて、同じか又は反対の方向の電圧を増大させることが可能であり、その後、スイッチＳ３又はＳ１のうちの適切な一方を通じて、インダクタ電流ＩＬｈがバッテリ２４へ導かれる。
【００４２】
図４Ａで、スイッチ・コントローラ１７は、電圧モード又は電流モードで動作するように設計可能である。電圧モードでは、インダクタ４を横切る前述の電圧（すなわち起電力）は、ｅＬ＝−ｗＢｖによって得られ、この式でｗは巻き数であり、Ｂは磁場の密度であり、ｖは磁石５に対するコイル４の速度である。スイッチ・コントローラ１７は、電圧ｅＬの極性に応じてスイッチＳ２及びＳ４の一方を閉じる。電圧Ｖ２又はＶ４がピーク又は所定の値（たとえばバッテリ電圧に近い）に達すると、スイッチ・コントローラ１７は、閉じられたスイッチＳ２又はＳ４とは反対のスイッチのトグルを開始する。スイッチＳ２及びＳ４の両方が閉じられたとき、インダクタ電流ＩＬｈは、ｄＩＬｈ／ｄｔ＝ｅＬ／Ｌ１に従って上昇を開始し、ここでＬ１はコイル４のインダクタンスである。スイッチＳ２及びＳ４のうちの一方がオフのとき、インダクタ電流ＩＬｈは、これら２つのスイッチの他方、たとえばスイッチＳ２を通じて流れ、スイッチＳ３を通じてバッテリ２４へも流れる。この間に、インダクタ電流ＩＬｈは、ｄＩＬｈ／ｄｔ＝−（ＶＢＡＴ−ｅＬ）／Ｌ１に従って低下し、ここでＶＢＡＴはバッテリ２４の電圧である。
【００４３】
電圧モードでは、電圧Ｖ２又はＶ４が測定され、スイッチＳ２及びＳ４の一方を通じたインダクタ電流ＩＬｈの流れによって、それらの一方が所定のしきい値レベル又はピーク・レベルに達すると、スイッチ・コントローラ１７は、コイル４内のインダクタ電流ＩＬｈの極性に応じてスイッチＳ１及びＳ３の一方をトグルして、コイル４からバッテリ２４又は負荷へエネルギーを伝達するようにする。
【００４４】
前述の電流モードでは、スイッチＳ２及びＳ４の両方がオンである。磁石５の場を通る短絡コイル４の動きが、インダクタ４内に電流ＩＬｈ＝∫ｅＬｄｔを生成する。インダクタ電流ＩＬｈがそのピーク又は所定の値に達すると、スイッチ・コントローラ１７は、インダクタ電流ＩＬｈの極性に応じて、スイッチ１及びＳ３の一方をトグルし、それによってインダクタ・エネルギーＥＬｈ＝（Ｌ１ＩＬｈ２）／２が、コイル４からバッテリ２４又は負荷へ伝達される。
【００４５】
図４Ｂは、図４Ａの電力管理システム１５−３の別の実装１５−４を示す。図４Ｂでは、電流センサ２６及び２７が省かれ、スイッチ・コントローラ１７の細部が示されている点を除けば、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４は全般的に図４Ａに示すように接続される。スイッチ・コントローラ１７はインバータ２２を含み、その出力が導体２０２によってスイッチＳ１の制御端子に接続される。インバータ２２の入力は、導体２０−２によって、スイッチＳ２の制御端子と、反転入力が接地に接続されるヒステリシスコンパレータＡ１の出力とに接続される。コンパレータＡ１の非反転入力は、インダクタ端子７Ｂに接続される。インバータ２３が、導体２０−３によってスイッチＳ３の制御端子に接続される出力を有する。インバータ２３の入力は、導体２０−４によって、スイッチＳ４の制御端子とヒステリシスコンパレータＡ０の出力とに接続される。コンパレータＡ０の反転入力は接地に接続され、その非反転入力はインダクタ端子７Ａに接続される。コンパレータＡ０及びＡ１の各々は、従来型の履歴（すなわちヒステリシス）コンパレータであってよい。導体１８と接地との間にバッテリ（及び／又は負荷）が接続される。
【００４６】
初めに、図４Ｂのスイッチ・コントローラ１７は、スイッチＳ２及びＳ４を閉じて、コイル端子７Ａ及び７Ｂの両方を接地に短絡させ、それによってコイル４を短絡させ、インダクタ４内の振動の運動エネルギーが磁気エネルギーに変換されるようにする。スイッチＳ１〜４の「オン」抵抗を横切る電圧降下は、内部の電流に比例し、ヒステリシスコンパレータＡ０及びＡ１は、図４Ｃの部分３１−１で示すインダクタ電流ＩＬｈの大きさが、点線３２で示すしきい値に達したとき状態を変更し、その後、部分３１−２で示すようにゼロまで降下する。その後、インダクタ電流ＩＬｈは、図４Ｃに示す第２の部分３１−１で示すように再び上昇を開始する。スイッチＳ１〜Ｓ４の状態は、図４Ａの電力管理システム１５−３及び図４Ｂの１５−４の動作の異なる部分についても、図４Ｃに示されている。
【００４７】
より具体的に言えば、図４Ｂのスイッチ・コントローラ１７は、収集されるＡＣ信号ＩＬｈの同期整流と、バッテリ２４又は負荷デバイスを充電するためのＤＣ出力ＶＬｈへのブースト及びその変換とを制御するために、スイッチＳ１〜Ｓ４の動作を決定する。インダクタ電流ＩＬｈの大きさがしきい値Ｉｈｒｖ（又はＩｈｒｖ）に達したとき、コンパレータＡ０（又はＡ１）はスイッチＳ４をオフに、スイッチＳ３をオンにして（あるいは、コンパレータＡ１がスイッチＳ２をオフにスイッチＳ１をオンにして）、初めにインダクタ４に蓄積された振動エネルギーが、図４Ｃに示すように、導体１８を介してバッテリ２４に印加される電圧ＶＬｈの波形ならびに収集された導体電流ＩＬｈの波形で示すように、バッテリ２４に伝達される。
【００４８】
たとえば、スイッチＳ２及びＳ４が閉じられて、磁気５に対してコイル４を移動させる振動に応答して、インダクタ電流ＩＬｈの増大を可能にする。図４Ｂに示すインダクタ電流方向について、増大されたインダクタ電流ＩＬｈは、その後、実際には、スイッチＳ４の「オン」抵抗ＲＯＮを横切って生成する電圧Ｖ４の値によって測定される。Ｖ４がコンパレータＡ１の第１のしきい値を超えるとき、状態が変更される。これによってスイッチＳ４は開かれ、インバータ２３にも対応するスイッチＳ３を閉じさせるため、これにより、増大されたインダクタ電流ＩＬｈが導体１８を通じてバッテリ２４内へ導かれる。インダクタ電流ＩＬｈがバッテリ２４内へ流れると、その値は徐々にゼロまで下がり、実際にはウィンドウコンパレータＡ１をリセットし、スイッチＳ３が開かれ、スイッチＳ４が閉じられるようにする。これにより、周囲振動に応答して、反対方向又は負の方向のインダクタ電流ＩＬｈの増大が可能になる。
【００４９】
負の方向の増大されたインダクタ電流ＩＬｈは、その後、実際には、インダクタ電流ＩＬｈによってスイッチＳ２の「オン」抵抗ＲＯＮを横切って生成される電圧Ｖ２の値によって測定される。Ｖ２がコンパレータＡ０の第１のしきい値を超えるとき、状態が変更される。これによって、スイッチ・コントローラ１７にスイッチＳ２を開かせ、更に、インバータ２２にスイッチＳ１を閉じさせ、これにより、増大された負の方向のインダクタ電流ＩＬｈが導体１８を通じてバッテリ２４（及び／又は負荷）内へ導かれる。負の方向のインダクタ電流ＩＬｈがバッテリ２４内へ流れると、その値は徐々にゼロまで下がり、実際にはウィンドウコンパレータＡ０をリセットして、スイッチＳ１が開かれローサイドスイッチＳ２が閉じられるようにする。
【００５０】
前述のプロセスは、適切な周囲振動が続行する限り反復される。
【００５１】
Ｉｈｒｖの値は、好ましくは、調整可能であり、コイル４内の収集された電流Ｉｈｒｖの導関数によって決まる。動的損失を最小にするために、コイル４内の電流がその最大絶対値又はその最小絶対値であるときにのみエネルギー伝達が発生するべきである。図４Ｃのグラフで、Ｉｈｒｖの最小値は最小収集可能エネルギーに対応する。最小収集可能エネルギーＩｈｒｖは、スイッチ、コンパレータ、インダクタなどにおけるスイッチング損失の量よりもはるかに大きくすべきである。コンパレータＡ０及びＡ１は、非常に低い電圧入力信号（たとえば、数十ミリボルト）で機能することができる。こうした低電圧入力信号から入手可能な少量のオーバードライブで要求される動作速度を達成するために、コンパレータＡ０及びＡ１の電流消費は必然的に過度となる。
【００５２】
エネルギーが収集されている周囲振動がＩＬｈ＜＜Ｉｈｒｖとなるように小さいとき、アイドル又はスタンバイ電力を低減するために、図５Ａの構造を使用することができる。図５Ａでは、コンパレータＡ０及びＡ１はＡＣ収集電流サイクルの開始時にはディスエーブルされており、スイッチＳ１、Ｓ２、及びＳ３はオフである（すなわち開かれている）。
【００５３】
図５Ａで、いくつかの応用例では、バッテリ２４を時折充電する必要があるのみならず、負荷レジスタＲＬ及び負荷キャパシタＣＬを含む負荷に供給される電圧ＶＬＯＡＤを時折供給及び調整する必要があるため、電流センサ２６及び２７を使用することができる。この場合、充電及び調整の両方のタスクを達成するために、スイッチＳ５及びＳ６が図４Ａの構造に追加される。スイッチＳ５が、インダクタ端子７Ａと導体３５との間に接続され、導体３５は、負荷レジスタＲＬ及び負荷キャパシタＣＬを含む負荷に印加される負荷電圧Ｖｌｏａｄを導く。スイッチＳ５の制御端子は、導体２０−５によってスイッチ制御回路１７Ａに接続される。同様に、スイッチＳ６が、インダクタ端子７Ｂと導体３５との間に接続される。スイッチＳ６の制御端子は、導体２０−６によってスイッチ制御回路１７Ａに接続される。
【００５４】
バッテリ２４の充電が必要なとき、図５Ａの回路１５−５は、図４Ａ又は図４Ｂの前述の回路１５−４とまったく同様に動作可能である。
【００５５】
しかしながら、負荷ＲＬ、ＣＬを動作させる必要があるとき、スイッチ・コントローラ１７Ａは、スイッチＳ１又はスイッチＳ３の代わりにスイッチＳ５又はＳ６をトグルするように動作する。すると、インダクタ４からのエネルギーが、バッテリ２４の代わりに負荷ＲＬ、ＣＬへ伝達される。たとえば現在エネルギーが収集されていないために、現在インダクタ４内にエネルギーがない場合、スイッチ・コントローラ１７Ａは、充電されたバッテリ２４からのエネルギーを使用し、ＶＢＡＴが負荷ＲＬ、ＣＬによって要求される電圧Ｖｌｏａｄよりも大きいか又は小さいかに応じて、インダクタ４及びスイッチＳ１〜４を降圧コンバータ又はブーストコンバータとして構成するように動作可能である。（降圧／ブーストコンバータ回路の制御に関する詳細な情報は、本願の所有者が所有する前述の米国特許第６，２７５，０１６号に提示されている。）
【００５６】
例として、現在エネルギーが収集されていない場合、スイッチ・コントローラ１７ＡはスイッチＳ３を閉じて、スイッチＳ５及びＳ２をトグルして、要求される負荷電圧ＶｌｏａｄがＶＢＡＴよりも大きい場合にこれらのスイッチならびにコイル４がブーストコンバータとして動作するようにすることが可能である。あるいは、スイッチ・コントローラ１７Ａは、スイッチＳ５を閉じてスイッチＳ３及びＳ４をトグルすることが可能であり、その後これらのスイッチ及びインダクタ４は、バッテリ電圧又は負荷によって要求される電圧がより大きいかどうかに応じて、降圧コンバータとして動作するように構成される。
【００５７】
収集されたエネルギーが使用可能である場合、スイッチ・コントローラ１７Ａは、Ｓ２／Ｓ４又はＳ１／Ｓ３のスイッチ・ペアを前述のようにトグルするとき、収集されたエネルギーを、スイッチＳ５又はＳ６を通じてバッテリ２４の代わりに負荷ＲＬ、ＣＬへ搬送することができる。
【００５８】
いずれの場合も、ハーベスタコイル４のインダクタンスＬ１は、実際には、エナジーハーベスタ１と、ＤＣ−ＤＣコンバータとして機能する図５Ａの一部との間で、タイムシェアされる。これにより、コストのかかる通常のインダクタをブーストコンバータ又は降圧コンバータに提供することが回避される。
【００５９】
コイル電流（ＩＬｈ）及び出力電圧（ＶＬｈ）の波形が図５Ｂに示されている。スイッチＳ１〜Ｓ４の状態は、図５Ａの電力管理システム１５−４の動作の異なる部分に関しても、図５Ｂに示されている。
【００６０】
このように本発明は、高効率の同期整流、及びＩＬｈのＤＣ−ＤＣ変換をも達成するように、収集されたＡＣ信号ＩＬｈを生成するためにエナジーハーベスタ１のインダクタ４を利用するように、様々のスイッチを用いる。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ内で使用するためにのみ外部インダクタを提供する費用が回避される。これは、ＤＣ−ＤＣコンバータ用の追加の外部インダクタを必要とする従来技術とは対照的である。
【００６１】
例示の実施例の文脈で説明したような特徴又はステップのすべて又はその幾つかを有する例示の実施例の文脈で説明した一つ又は複数の特徴又はステップの異なる組み合わせを有する実施例も、本明細書に包含されることを意図している。当業者であれば、多くの他の実施形態及び変形も、本発明の特許請求の範囲内で可能であることを理解されよう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルを含むハーベスティングデバイスから収集されるＡＣエネルギーを管理するためのシステムであって、
（ａ）前記ハーベスティングデバイスの第１及び第２の端子間に結合される整流回路であって、整流された電圧を導くための出力導体に結合される第１の電極と、前記コイルの第１の端子に結合される第２の電極とを有する第１のスイッチング・デバイス、前記コイルの第１の端子に結合される第１の電極と、基準電圧に結合される第２の電極とを有する第２のスイッチング・デバイス、前記出力導体に結合される第１の電極と、前記コイルの第２の端子に結合される第２の電極とを有する第３のスイッチング・デバイス、及び前記コイルの前記第２の端子に結合される第１の電極と、前記基準電圧に結合される第２の電極とを有する第４のスイッチング・デバイスを含む、前記整流回路、及び、
（ｂ）前記コイルのそれぞれ前記第１及び第２の端子に結合される第１及び第２の入力と、それぞれ前記第１、第２、第３、及び第４のスイッチング・デバイスの制御電極に結合される第１、第２、第３、及び第４の出力とを有するスイッチ制御回路を含む、前記整流された電圧を変換するための電力管理回路であって、前記スイッチ制御回路が、前記第２及び第４のスイッチング・デバイスを閉じて前記コイル内の電流の増大を可能にし、前記第２及び第４のスイッチング・デバイスの一方を開き、前記スイッチ制御回路が、前記増大されたインダクタ電流が所定のしきい値に達するのに応答して前記第３及び第１のスイッチング・デバイスのうちの前記対応する１つを閉じて、前記増大されたインダクタ電流を、前記第３及び第１のスイッチング・デバイスのうちの前記対応する１つを通じて電流受信デバイスへ導く、前記電力管理回路、
を含む、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記スイッチ制御回路が、前記基準電圧に結合される反転入力と、前記コイルの前記第２の端子に結合される非反転入力と、前記第１及び第２のスイッチング・デバイスを制御するように結合される出力とを有する第１のコンパレータを含む、システム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムであって、前記スイッチ制御回路が、前記第１のスイッチング・デバイスの前記制御電極に結合される出力を有する第１のインバータ、前記基準電圧に結合される反転入力と、前記コイルの前記第１の端子に結合される非反転入力と、前記第４及び第３のスイッチング・デバイスを制御するように結合される出力とを有する第２のコンパレータ、及び前記第３のスイッチング・デバイスの前記制御電極に結合される出力を有する第２のインバータを含む、システム。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムであって、前記第４のスイッチング・デバイスが、前記コイル内の前記電流が前記コイルから前記第４のスイッチング・デバイスを通じて流れるとき、前記第２の端子に第１の電圧を生成させるオン抵抗を有し、前記第２のスイッチング・デバイスが、前記コイル内の前記電流が前記コイルから前記第２のスイッチング・デバイスを通じて流れるとき、前記第１の端子に第２の電圧を生成させるオン抵抗を有する、システム。
【請求項５】
請求項４に記載のシステムであって、前記第１のコンパレータが、前記コイル内の前記電流が、前記第１の電圧に前記第１のコンパレータの第１のしきい値を超えさせるほど充分に第１の方向で増大したとき状態を変更し、これによって、前記第４のスイッチング・デバイスを開き、前記第３のスイッチング・デバイスを閉じて、前記コイル内の前記電流を前記第３のスイッチを通じて前記出力導体内へ導くように状態を変更させる、システム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムであって、前記第１のコンパレータが、前記コイル内の前記電流が、前記第１の電圧に前記第１のコンパレータの第２のしきい値を下回らせるほど充分に低下したとき再び状態を変更し、これによって、前記第４のスイッチング・デバイスを閉じ、前記第３のスイッチング・デバイスを開いて、前記コイルを通じた第２の方向での電流の増大を可能にするように状態を変更させる、システム。
【請求項７】
請求項５に記載のシステムであって、前記第２のコンパレータが、前記コイル内の前記電流が、前記第２の電圧に前記第２のコンパレータの第１のしきい値を超えさせるほど充分に前記第２の方向で増大したとき状態を変更し、これによって、前記第２のスイッチング・デバイスを開き、前記第１のスイッチング・デバイスを閉じて、前記コイル内の前記電流を前記第１のスイッチを通じて前記出力導体内へ導くように状態を変更させ、さらに前記第２のコンパレータが、前記コイル内の前記電流が、前記第２の電圧に前記第２のコンパレータの第２のしきい値を下回らせるほど充分に低下したとき、再び状態を変更し、これによって、前記第２のスイッチング・デバイスを閉じ、前記第３のスイッチング・デバイスを開いて、前記コイルを通じた前記第１の方向での電流の増大を可能にするように状態を変更させる、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであって、
負荷電圧を導くために負荷導体に結合される負荷、
前記コイルの前記第１の端子に結合される第１の電極と、前記負荷導体に結合される第２の電極と、スイッチ制御回路に結合される制御電極とを有する第５のスイッチング・デバイス、及び、
前記コイルの前記第２の端子に結合される第１の電極と、前記負荷導体に結合される第２の電極と、前記スイッチ制御回路に結合される制御電極とを有する第６のスイッチング・デバイス、
を含み、
前記スイッチ制御回路が、前記負荷によって要求される負荷電圧がバッテリ電圧を下回る場合、前記バッテリから前記負荷へエネルギーを伝達するために、前記第５及び第６のスイッチング・デバイスの一方を閉じ、前記第１及び第３のスイッチのうちの対応する１つを閉じるように動作する、
システム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムであって、前記スイッチ制御回路が、前記コイルならびに前記第１、第２、第３、及び第４のスイッチング・デバイスを、前記要求される負荷電圧が前記バッテリ電圧を超える場合はブーストコンバータとして、また、前記要求される負荷電圧が前記バッテリ電圧を下回るときは降圧コンバータとして、構成するように動作する、システム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムであって、
負荷電圧を導くために負荷導体に結合される負荷、
前記コイルの前記第１の端子に結合される第１の電極と、前記負荷導体に結合される第２の電極と、前記スイッチ制御回路に結合される制御電極とを有する第５のスイッチング・デバイス、及び、
前記コイルの前記第２の端子に結合される第１の電極と、前記負荷導体に結合される第２の電極と、前記スイッチ制御回路に結合される制御電極とを有する第６のスイッチング・デバイス、
を含み、
前記スイッチ制御回路が、前記コイルから前記負荷へエネルギーを伝達するために、前記コイル内でエネルギーが使用可能な場合、前記第５及び第６のスイッチング・デバイスの一方を閉じるように動作する、システム。
【請求項１１】
請求項１に記載のシステムであって、前記ハーベスティングデバイスが、振動エネルギーを前記収集されたＡＣエネルギーに変換し、前記振動エネルギーがおよそ２０００Ｈｚ未満の周波数を有する、システム。
【請求項１２】
コイルを含むハーベスティングデバイスから収集されるＡＣエネルギーを管理するための方法であって、
（ａ）前記ハーベスティングデバイスの第１及び第２の端子間に結合され、第１、第２、第３、及び第４のスイッチング・デバイスを含むスイッチング回路を提供すること、
（ｂ）前記コイル内の電流の増大を可能にするために前記第２及び第４のスイッチング・デバイスのうちの少なくとも一方を閉じること、及び、
（ｃ）前記第２及び第４のスイッチング・デバイスの一方を開くこと、及び、前記増大されたインダクタ電流が所定のしきい値に達するのに応答して、前記増大されたインダクタ電流を、前記第３及び第１のスイッチング・デバイスのうちの対応する１つを通じて電流受信デバイスへ導くために、前記第３及び第１のスイッチング・デバイスのうちの前記対応する１つを閉じること、
を含む、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、
負荷電圧を導くために負荷を負荷導体に結合すること、前記第５のスイッチング・デバイスを前記コイルの前記第１の端子と前記負荷導体との間に結合すること、第６のスイッチング・デバイスを前記コイルの前記第２の端子と前記負荷導体との間に結合すること、及び、
前記負荷によって要求される負荷電圧がバッテリ電圧を下回る場合、バッテリから前記負荷へエネルギーを伝達するために、前記第５及び第６のスイッチング・デバイスの一方を閉じるように前記スイッチ制御回路を動作させること、
を含む、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、前記コイルならびに前記第１、第２、第３、及び第４のスイッチング・デバイスを、前記要求される負荷電圧が前記バッテリ電圧を超える場合はブーストコンバータとして、また、前記要求される負荷電圧が前記バッテリ電圧を下回るときは降圧コンバータとして、構成するように、前記スイッチ制御回路を動作させることを含む、方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の方法であって、
負荷電圧を導くために負荷を負荷導体に結合すること、前記第５のスイッチング・デバイスを前記コイルの前記第１の端子と前記負荷導体との間に結合すること、第６のスイッチング・デバイスを前記コイルの前記第２の端子と前記負荷導体との間に結合すること、及び、
前記コイルから前記負荷へエネルギーを伝達するために前記コイル内でエネルギーが使用可能な場合、前記第５及び第６のスイッチング・デバイスの一方を閉じて、前記バッテリから前記負荷へエネルギーを伝達するように前記スイッチ制御回路を動作させること、
を含む、方法。
【請求項１６】
コイルを含むハーベスティングデバイスから収集されるＡＣエネルギーを管理するためのシステムであって、
（ａ）前記ハーベスティングデバイスの第１と第２の端子間に結合され、第１、第２、第３、及び第４のスイッチング・デバイスを含むスイッチング回路、
（ｂ）前記コイル内の電流の増大を可能にするために前記第２及び第４のスイッチング・デバイスを閉じるための手段、及び、
（ｃ）前記第２及び第４のスイッチング・デバイスの一方を開くため、ならびに、前記増大されたインダクタ電流が所定のしきい値に達するのに応答して前記第３及び第１のスイッチング・デバイスのうちの対応する１つを閉じて、前記増大されたインダクタ電流を、前記第３及び第１のスイッチング・デバイスのうちの前記対応する１つを通じて電流受信デバイスへ導くための手段、
を含む、システム。
【請求項１】
コイルを含むハーベスティングデバイスから収集されるＡＣエネルギーを管理するためのシステムであって、
（ａ）前記ハーベスティングデバイスの第１及び第２の端子間に結合される整流回路であって、整流された電圧を導くための出力導体に結合される第１の電極と、前記コイルの第１の端子に結合される第２の電極とを有する第１のスイッチング・デバイス、前記コイルの第１の端子に結合される第１の電極と、基準電圧に結合される第２の電極とを有する第２のスイッチング・デバイス、前記出力導体に結合される第１の電極と、前記コイルの第２の端子に結合される第２の電極とを有する第３のスイッチング・デバイス、及び前記コイルの前記第２の端子に結合される第１の電極と、前記基準電圧に結合される第２の電極とを有する第４のスイッチング・デバイスを含む、前記整流回路、及び、
（ｂ）前記コイルのそれぞれ前記第１及び第２の端子に結合される第１及び第２の入力と、それぞれ前記第１、第２、第３、及び第４のスイッチング・デバイスの制御電極に結合される第１、第２、第３、及び第４の出力とを有するスイッチ制御回路を含む、前記整流された電圧を変換するための電力管理回路であって、前記スイッチ制御回路が、前記第２及び第４のスイッチング・デバイスを閉じて前記コイル内の電流の増大を可能にし、前記第２及び第４のスイッチング・デバイスの一方を開き、前記スイッチ制御回路が、前記増大されたインダクタ電流が所定のしきい値に達するのに応答して前記第３及び第１のスイッチング・デバイスのうちの前記対応する１つを閉じて、前記増大されたインダクタ電流を、前記第３及び第１のスイッチング・デバイスのうちの前記対応する１つを通じて電流受信デバイスへ導く、前記電力管理回路、
を含む、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記スイッチ制御回路が、前記基準電圧に結合される反転入力と、前記コイルの前記第２の端子に結合される非反転入力と、前記第１及び第２のスイッチング・デバイスを制御するように結合される出力とを有する第１のコンパレータを含む、システム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムであって、前記スイッチ制御回路が、前記第１のスイッチング・デバイスの前記制御電極に結合される出力を有する第１のインバータ、前記基準電圧に結合される反転入力と、前記コイルの前記第１の端子に結合される非反転入力と、前記第４及び第３のスイッチング・デバイスを制御するように結合される出力とを有する第２のコンパレータ、及び前記第３のスイッチング・デバイスの前記制御電極に結合される出力を有する第２のインバータを含む、システム。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムであって、前記第４のスイッチング・デバイスが、前記コイル内の前記電流が前記コイルから前記第４のスイッチング・デバイスを通じて流れるとき、前記第２の端子に第１の電圧を生成させるオン抵抗を有し、前記第２のスイッチング・デバイスが、前記コイル内の前記電流が前記コイルから前記第２のスイッチング・デバイスを通じて流れるとき、前記第１の端子に第２の電圧を生成させるオン抵抗を有する、システム。
【請求項５】
請求項４に記載のシステムであって、前記第１のコンパレータが、前記コイル内の前記電流が、前記第１の電圧に前記第１のコンパレータの第１のしきい値を超えさせるほど充分に第１の方向で増大したとき状態を変更し、これによって、前記第４のスイッチング・デバイスを開き、前記第３のスイッチング・デバイスを閉じて、前記コイル内の前記電流を前記第３のスイッチを通じて前記出力導体内へ導くように状態を変更させる、システム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムであって、前記第１のコンパレータが、前記コイル内の前記電流が、前記第１の電圧に前記第１のコンパレータの第２のしきい値を下回らせるほど充分に低下したとき再び状態を変更し、これによって、前記第４のスイッチング・デバイスを閉じ、前記第３のスイッチング・デバイスを開いて、前記コイルを通じた第２の方向での電流の増大を可能にするように状態を変更させる、システム。
【請求項７】
請求項５に記載のシステムであって、前記第２のコンパレータが、前記コイル内の前記電流が、前記第２の電圧に前記第２のコンパレータの第１のしきい値を超えさせるほど充分に前記第２の方向で増大したとき状態を変更し、これによって、前記第２のスイッチング・デバイスを開き、前記第１のスイッチング・デバイスを閉じて、前記コイル内の前記電流を前記第１のスイッチを通じて前記出力導体内へ導くように状態を変更させ、さらに前記第２のコンパレータが、前記コイル内の前記電流が、前記第２の電圧に前記第２のコンパレータの第２のしきい値を下回らせるほど充分に低下したとき、再び状態を変更し、これによって、前記第２のスイッチング・デバイスを閉じ、前記第３のスイッチング・デバイスを開いて、前記コイルを通じた前記第１の方向での電流の増大を可能にするように状態を変更させる、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであって、
負荷電圧を導くために負荷導体に結合される負荷、
前記コイルの前記第１の端子に結合される第１の電極と、前記負荷導体に結合される第２の電極と、スイッチ制御回路に結合される制御電極とを有する第５のスイッチング・デバイス、及び、
前記コイルの前記第２の端子に結合される第１の電極と、前記負荷導体に結合される第２の電極と、前記スイッチ制御回路に結合される制御電極とを有する第６のスイッチング・デバイス、
を含み、
前記スイッチ制御回路が、前記負荷によって要求される負荷電圧がバッテリ電圧を下回る場合、前記バッテリから前記負荷へエネルギーを伝達するために、前記第５及び第６のスイッチング・デバイスの一方を閉じ、前記第１及び第３のスイッチのうちの対応する１つを閉じるように動作する、
システム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムであって、前記スイッチ制御回路が、前記コイルならびに前記第１、第２、第３、及び第４のスイッチング・デバイスを、前記要求される負荷電圧が前記バッテリ電圧を超える場合はブーストコンバータとして、また、前記要求される負荷電圧が前記バッテリ電圧を下回るときは降圧コンバータとして、構成するように動作する、システム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムであって、
負荷電圧を導くために負荷導体に結合される負荷、
前記コイルの前記第１の端子に結合される第１の電極と、前記負荷導体に結合される第２の電極と、前記スイッチ制御回路に結合される制御電極とを有する第５のスイッチング・デバイス、及び、
前記コイルの前記第２の端子に結合される第１の電極と、前記負荷導体に結合される第２の電極と、前記スイッチ制御回路に結合される制御電極とを有する第６のスイッチング・デバイス、
を含み、
前記スイッチ制御回路が、前記コイルから前記負荷へエネルギーを伝達するために、前記コイル内でエネルギーが使用可能な場合、前記第５及び第６のスイッチング・デバイスの一方を閉じるように動作する、システム。
【請求項１１】
請求項１に記載のシステムであって、前記ハーベスティングデバイスが、振動エネルギーを前記収集されたＡＣエネルギーに変換し、前記振動エネルギーがおよそ２０００Ｈｚ未満の周波数を有する、システム。
【請求項１２】
コイルを含むハーベスティングデバイスから収集されるＡＣエネルギーを管理するための方法であって、
（ａ）前記ハーベスティングデバイスの第１及び第２の端子間に結合され、第１、第２、第３、及び第４のスイッチング・デバイスを含むスイッチング回路を提供すること、
（ｂ）前記コイル内の電流の増大を可能にするために前記第２及び第４のスイッチング・デバイスのうちの少なくとも一方を閉じること、及び、
（ｃ）前記第２及び第４のスイッチング・デバイスの一方を開くこと、及び、前記増大されたインダクタ電流が所定のしきい値に達するのに応答して、前記増大されたインダクタ電流を、前記第３及び第１のスイッチング・デバイスのうちの対応する１つを通じて電流受信デバイスへ導くために、前記第３及び第１のスイッチング・デバイスのうちの前記対応する１つを閉じること、
を含む、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、
負荷電圧を導くために負荷を負荷導体に結合すること、前記第５のスイッチング・デバイスを前記コイルの前記第１の端子と前記負荷導体との間に結合すること、第６のスイッチング・デバイスを前記コイルの前記第２の端子と前記負荷導体との間に結合すること、及び、
前記負荷によって要求される負荷電圧がバッテリ電圧を下回る場合、バッテリから前記負荷へエネルギーを伝達するために、前記第５及び第６のスイッチング・デバイスの一方を閉じるように前記スイッチ制御回路を動作させること、
を含む、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、前記コイルならびに前記第１、第２、第３、及び第４のスイッチング・デバイスを、前記要求される負荷電圧が前記バッテリ電圧を超える場合はブーストコンバータとして、また、前記要求される負荷電圧が前記バッテリ電圧を下回るときは降圧コンバータとして、構成するように、前記スイッチ制御回路を動作させることを含む、方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の方法であって、
負荷電圧を導くために負荷を負荷導体に結合すること、前記第５のスイッチング・デバイスを前記コイルの前記第１の端子と前記負荷導体との間に結合すること、第６のスイッチング・デバイスを前記コイルの前記第２の端子と前記負荷導体との間に結合すること、及び、
前記コイルから前記負荷へエネルギーを伝達するために前記コイル内でエネルギーが使用可能な場合、前記第５及び第６のスイッチング・デバイスの一方を閉じて、前記バッテリから前記負荷へエネルギーを伝達するように前記スイッチ制御回路を動作させること、
を含む、方法。
【請求項１６】
コイルを含むハーベスティングデバイスから収集されるＡＣエネルギーを管理するためのシステムであって、
（ａ）前記ハーベスティングデバイスの第１と第２の端子間に結合され、第１、第２、第３、及び第４のスイッチング・デバイスを含むスイッチング回路、
（ｂ）前記コイル内の電流の増大を可能にするために前記第２及び第４のスイッチング・デバイスを閉じるための手段、及び、
（ｃ）前記第２及び第４のスイッチング・デバイスの一方を開くため、ならびに、前記増大されたインダクタ電流が所定のしきい値に達するのに応答して前記第３及び第１のスイッチング・デバイスのうちの対応する１つを閉じて、前記増大されたインダクタ電流を、前記第３及び第１のスイッチング・デバイスのうちの前記対応する１つを通じて電流受信デバイスへ導くための手段、
を含む、システム。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【公表番号】特表２０１３−５１８５５２（Ｐ２０１３−５１８５５２Ａ）
【公表日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５５１１６４（Ｐ２０１２−５５１１６４）
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０６１８１８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０９３９６６
【国際公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（３９００２０２４８）日本テキサス・インスツルメンツ株式会社 (219)
【出願人】（５０７１０７２９１）テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド (50)
【上記１名の代理人】
【識別番号】１０００９８４９７
【弁理士】
【氏名又は名称】片寄 恭三
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０６１８１８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０９３９６６
【国際公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（３９００２０２４８）日本テキサス・インスツルメンツ株式会社 (219)
【出願人】（５０７１０７２９１）テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド (50)
【上記１名の代理人】
【識別番号】１０００９８４９７
【弁理士】
【氏名又は名称】片寄 恭三
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]