利用电压管理器的能够在利用残存电荷的能量收集装置
阅读：92发布：2020-05-13
专利汇可以提供利用电压管理器的能够在利用残存电荷的能量收集装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且根据本 发明 所涉及的利用 电压 管理器的能够再利用残存电荷的 能量 收集装置，以可使设置于充放电转换部的多个电容器在充电模式或放电模式下使连接状态变换成 串联 或并联的方式利用电压监测部的多个电压管理器 电路 来以与用于使负荷进行动作的驱动电压相对应地监测充放电转换部的内部特定电压，通过与之相对应地产生的 开关 控制 信号 来对充放电转换部的多个开关器件进行转换控制，在充电模式下，使充放电转换部的多个电容器串联连接，在放电模式下，以与用于使负荷进行驱动的驱动电压相对应的方式使多个电容器的连接状态依次以全部并联、部分串联及全部串联的顺序变换连接，由此，能够以与负荷的驱动电压相对应的方式最大限度再利用残存在各个电容器的电荷。，下面是利用电压管理器的能够在利用残存电荷的能量收集装置专利的具体信息内容。
1.利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置(100)，其特征在于，包括：
压电器件部(110)，根据使用人员的按压动作来产生交流电；
整流部(120)，将在上述压电器件部(110)产生的交流电整流成直流来输出；
充放电转换部(130)，设置有利用从上述整流部(120)输出的输出电压来进行充电及放电的多个电容器和多个开关器件，以与多个上述开关器件所进行的转换相对应的方式将多个上述电容器的连接状态变换为串联或并联来调节能量的充电及放电；
电力传输开关部(140)，与上述充放电转换部(130)的输出端相连接，根据放电模式转换信号来转换成放电模式；
调节器(150)，通过对在上述电力传输开关部(140)转换成放电模式的状态下输出的输出电压进行变换来输出到负荷(10)；以及
电压监测部(160)，设置有多个电压管理器电路，为了调节设置于上述充放电转换部(130)的多个电容器的充电及放电，对多个上述开关器件的转换进行控制，分别对上述充放电转换部(130)的内部特定电压进行监测，基于所监测的特定电压，分别输出开关控制信号，
上述充放电转换部(130)以上述电压监测部(160)的多个电压管理器电路的开关控制信号为基础，来在多个上述电容器的充电模式下使多个电容器全部串联连接，在多个上述电容器的放电模式下，以与用于使负荷进行动作的驱动电压相对应的上述电压监测部(160)的多个电压管理器电路的开关控制信号为基础，多个上述电容器的连接状态依次以全部并联、部分串联及全部串联的顺序变换连接，
上述充放电转换部(130)包括：
第一电容器(C1)、第二电容器(C2)、第三电容器(C3)、第四电容器(C4)，一侧端子分别与上述整流部(120)的输出端并联连接；
第一开关器件(M1)，连接到上述第一电容器(C1)的另一侧端子与上述第二电容器(C2)的一侧端子之间，根据上述电压监测部(160)的第一开关控制信号(S1)来进行转换；
第二开关器件(M2)，连接到上述第二电容器(C2)的另一侧端子与上述第三电容器(C3)的一侧端子之间，根据上述电压监测部(160)的第二开关控制信号(S2)来进行转换；
第三开关器件(M3)，连接到上述第三电容器(C3)的另一侧端子与上述第四电容器(C4)的一侧端子之间，根据上述电压监测部(160)的第一开关控制信号(S1)的开关控制信号(S1)来进行转换；以及
控制信号桥接单元，与上述第一开关器件(M1)的栅极端子相连接，来用作第一开关控制信号(S1)的媒介，包括用于使上述第一开关器件(M1)的栅极端子与第三电容器(C3)的一侧端子相连接的电阻(R)，以使上述第一开关器件(M1)的栅极的基本偏置电压成为上述第三电容器(C3)的一侧端子的电压。
2.根据权利要求1所述的利用电压管理器的用到压电器件的能够再利用残存电荷的能量收集装置，其特征在于，上述充放电转换部(130)能够使多个上述电容器的数量增加为2的倍数。
3.根据权利要求1或2所述的利用电压管理器的用到压电器件的能够再利用残存电荷的能量收集装置，其特征在于，上述充放电转换部(130)还包括：
第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)，分别设置于第二电容器(C2)、第三电容器(C3)、第四电容器(C4)与上述整流部(120)的输出端之间，分别与上述第二电容器(C2)、第三电容器(C3)、第四电容器(C4)串联连接，上述第二电容器(C2)、第三电容器(C3)、第四电容器(C4)分别与上述整流部(120)的输出端并联连接；
第四二极管(D4)，与上述第一电容器(C1)的另一侧端子串联连接；
第五二极管(D5)，与上述第二电容器(C2)的另一侧端子串联连接；
第六二极管(D6)，与上述第三电容器(C3)的另一侧端子串联连接。
4.根据权利要求3所述的利用电压管理器的用到压电器件的能够再利用残存电荷的能量收集装置，其特征在于，上述第一开关器件(M1)、第二开关器件(M2)、第三开关器件(M3)分别由金属氧化物半导体场效应晶体管构成，由P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管或N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管中的一种构成。
5.根据权利要求3所述的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置，其特征在于，上述电压监测部(160)包括：
第一电压管理器电路(161)，对上述第三二极管(D3)与第四电容器(C4)之间的连接结点位置(VC4P)的电压状态进行监测，基于所监测的电压状态，来向上述第一开关器件(M1)和第三开关器件(M3)输出第一开关控制信号(S1)，上述第三二极管(D3)与上述第三开关器件(M3)相连接；以及
第二电压管理器电路(162)，对上述第二二极管(D2)与第三电容器(C3)之间的连接结点位置(VC3P)的电压状态进行监测，基于所监测的电压状态，来向上述第二开关器件(M2)输出第二开关控制信号(S2)，上述第二二极管(D2)与上述第二开关器件(M2)相连接。
6.根据权利要求5所述的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置，其特征在于，
在上述电压监测部(160)中，上述第一电压管理器电路(161)及第二电压管理器电路(162)分别输出用于对上述第一开关器件(M1)、第二开关器件(M2)、第三开关器件(M3)进行转换控制的第一开关控制信号(S1)及第二开关控制信号(S2)，
上述第一开关控制信号(S1)及第二开关控制信号(S2)为与上述第一开关器件(M1)、第二开关器件(M2)、第三开关器件(M3)的各个栅极电压和漏极电压相差不大的控制信号，以防止开关器件破损。
7.根据权利要求6所述的利用电压管理器的用到压电器件的能够再利用残存电荷的能量收集装置，其特征在于，上述电压监测部(160)的第一电压管理器电路(161)及第二电压管理器电路(162)分别以在上述充放电转换部(130)监测的内部特定电压为基础来产生第一开关控制信号(S1)及第二开关控制信号(S2)，由于对时间不敏感而能够实现可靠的电路动作。
利用电压管理器的能够在利用残存电荷的能量收集装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种能量收集装置，更具体地，涉及如下的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置，即，以与用于使负荷进行动作的驱动电压相对应地以在电压管理器监测的特定电压为基础来变换充放电转换部的多个电容器的串联或并联的连接状态，可将残存在各个电容器的电荷最大限度再利用为用于使负荷进行驱动的驱动电压。
背景技术
[0002] 近来，不使用电池等有限的电源也可通过无线方式输出控制信号的无线开关日益得到更多关注。这种无线开关还被称为无电池无线开关(BWS：batteryless wireless switch)，由于不需要设置用于使开关进行动作的单独的电池或电源供给线，因此可减少无线开关的设置及维护费用。这种无线开关通常采用从压电器件收集电能的方式，通过对由按压压电器件的动作而产生的电能进行整流并收集后通过调节器来向整流器(RF)发送电路进行传递。但是，在这种过程中，有可能产生相当大的能量损失，因此需要可使这种损失最小化的电路结构。
[0003] 为此，现有技术文献有韩国授权专利公报第10-1696427号，其中公开了包括压电器件开关、偏置按钮整流器、充放电转换部、控制部及调节器的能量收集装置及利用其的无线开关。在这种现有技术文献中，现有的能量收集装置中的充放电转换部仅由二极管和电容器构成，而没有单独的转换控制技法，在此情况下，当对电容器进行充电时，会因多重二极管而产生能量损失，从压电器件部朝向电容器阵列方向的有效(effective)电容因二极管而导致小于实际电容，电荷无法均匀地充电到阵列内部的各个电容器，从而会在放电模式下追加产生能量损失，尤其，在放电模式中，在电容器电压下降到调节器(或DC-DC转换器)或负荷应用的最小工作电压以下的情况下，将导致效率变差或将丢掉与该残存电荷相对应的能量。即，在现有技术文献中的能量收集装置中，通过使用包括桥接整流器、电感器及开关器件在内的偏置按钮整流器来提高在充放电转换部前端的能量传输效率，因此很难对偏置按钮进行时间控制，存在充放电转换部的电路结构也很复杂的问题。
[0004] 并且，现有技术文献有韩国授权专利公报第10-1753753号，其中公开了包括压电器件、动作检测部、控制信号生成部、调节器及负荷的使用压电器件的能量采集器。在这种现有技术文献中的使用压电器件的能量采集器中，调节器收集根据多个转换器件的动作来从压电器件输出的电能并向负荷传输，若由动作检测部检测到从压电器件输出的电压的状态变化，则控制信号生成部将以在动作检测部所生成的检测信号来生成用于转换开关器件的控制信号。由此，虽然依靠需准确控制时间的电路来提高能量传输效率，但该电路的时间控制很难，尤其，在控制信号时间错误的情况下，存在有限状态机(FSM，Finite State Machine)将陷入错误状态或效率急剧下降的问题。
发明内容
[0005] 技术问题
[0006] 本发明用于解决现有方法中的如上所述的问题，其目的在于提供如下的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置，即，为使设置于充放电转换部的多个电容器在充电模式或放电模式下变换串联或并联连接状态，利用电压监测部的多个电压管理器电路来以与用于使负荷进行动作的驱动电压相对应地监测充放电转换部的内部特定电压，通过与之相对应地产生的开关控制信号来对充放电转换部的多个开关器件进行转换控制，在充电模式下，使充放电转换部的多个电容器串联连接，在放电模式下，以与用于使负荷进行驱动的驱动电压相对应的方式使多个电容器的连接状态依次以全部并联、部分串联及全部串联的顺序变换连接，由此，能够以与负荷的驱动电压相对应的方式最大限度再利用残存在各个电容器的电荷。
[0007] 并且，本发明的再一目的在于，提供如下的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置，即，以与用于使负荷进行动作的驱动电压相对应地以在电压管理器监测的特定电压为基础来通过开关对充放电转换部的多个电容器的串联或并联的连接状态进行变换，可将残存在各个电容器的电荷最大限度再利用为用于使负荷进行驱动的驱动电压，因此，提高因不符合负荷的驱动电压而无法使用并被丢弃的电荷的利用，由此可实现长时间使用。
[0008] 不仅如此，本发明的另一目的在于，提供如下的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置，即，利用电压监测部的电压管理器电路来监测充放电转换部的内部特定电压并对多个开关器件进行转换控制，由此防止多个开关器件的破损，由于对转换控制的时间不敏感而可实现可靠的电路动作，可由所体现的电路的硬件费用并不高的电路构成，还可使用低配置的常用器件来构成，由此可实现低价。
[0009] 技术方案
[0010] 为实现如上所述的目的，根据本发明的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置，其特征在于，包括：压电器件部，根据使用人员的按压动作来产生交流电；整流部，将在上述压电器件部产生的交流电整流成直流来输出；充放电转换部，设置有利用从上述整流部输出的输出电压来进行充电及放电的多个电容器和多个开关器件，以与多个上述开关器件所进行的转换相对应的方式将多个上述电容器的连接状态变换为串联或并联来调节能量的充电及放电；电力传输开关部，与上述充放电转换部的输出端相连接，根据放电模式转换信号(EN)来转换成放电模式；调节器，通过对在上述电力传输开关部转换成放电模式的状态下输出的输出电压进行变换来输出到负荷；以及电压监测部，设置有多个电压管理器电路，为了调节设置于上述充放电转换部的多个电容器的充电及放电，对多个上述开关器件的转换进行控制，分别对上述充放电转换部的内部特定电压进行监测，基于所监测的特定电压，分别输出开关控制信号，上述充放电转换部以上述电压监测部的多个电压管理器电路的开关控制信号为基础，来在多个上述电容器的充电模式下使多个电容器全部串联连接，在多个上述电容器的放电模式下，以与用于使负荷进行动作的驱动电压相对应的上述电压监测部的多个电压管理器电路的开关控制信号为基础，多个上述电容器的连接状态依次以全部并联、部分串联及全部串联的顺序变换连接。
[0011] 优选地，上述充放电转换部可使多个上述电容器的数量增加为2的倍数。
[0012] 优选地，上述充放电转换部可包括：第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器，分别与上述整流部的输出端并联连接；第一二极管、第二二极管、第三二极管，分别设置于第二电容器、第三电容器、第四电容器与上述整流部的输出端之间，分别与上述第二电容器、第三电容器、第四电容器串联连接，上述第二电容器、第三电容器、第四电容器分别与上述整流部的输出端并联连接；第一开关器件，连接到上述第一电容器的另一侧端子与第四二极管之间的连接结点以及上述第一二极管与第二电容器之间的连接结点，上述第四二极管与上述第一电容器串联连接，根据上述电压监测部的第一开关控制信号来进行转换；第二开关器件，连接到上述第二电容器的另一侧端子与第五二极管之间的连接结点以及上述第二二极管与第三电容器之间的连接结点，上述第五二极管与上述第二电容器串联连接，根据上述电压监测部的第二开关控制信号来进行转换；第三开关器件，连接到上述第三电容器的另一侧端子与第六二极管之间的连接结点以及上述第三二极管与第四电容器之间的连接结点，上述第六二极管与上述第三电容器串联连接，根据上述电压监测部的第一开关控制信号的开关控制信号来进行转换；控制信号桥接单元，与上述第一开关器件的栅极端子相连接；以及电阻，连接到上述第一开关器件与控制信号桥接单元之间的连接结点以及上述第二二极管与第三电容器之间的连接结点。
[0013] 更优选地，上述第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件分别由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET，Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)构成，可由P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管或N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管中的一种构成。
[0014] 更优选地，上述电压监测部可包括：第一电压管理器电路，对上述第三二极管与第四电容器之间的连接结点位置的电压状态进行监测，基于所监测的电压状态，来向上述第一开关器件和第三开关器件输出第一开关控制信号，上述第三二极管与上述第三开关器件相连接；以及第二电压管理器电路，对上述第二二极管与第三电容器之间的连接结点位置的电压状态进行监测，基于所监测的电压状态，来向上述第二开关器件输出第二开关控制信号，上述第二二极管与上述第二开关器件相连接。
[0015] 更为优选地，在上述电压监测部中，上述第一电压管理器电路及第二电压管理器电路可分别输出用于对上述第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件进行转换控制的第一开关控制信号及第二开关控制信号，上述第一开关控制信号及第二开关控制信号为与上述第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件的各个栅极(gate)电压和漏极(drain)电压相差不大的控制信号，以防止开关器件破损。
[0016] 更加优选地，上述电压监测部的第一电压管理器电路及第二电压管理器电路分别以在上述充放电转换部监测的内部特定电压为基础来产生第一开关控制信号及第二开关控制信号，由于对时间不敏感而能够实现可靠(reliable)的电路动作。
[0017] 更加优选地，上述放电模式转换信号为以下部件的输出中的一个，即，上述调节器的输入端及输出端，或负荷的应用，或以低临界值(threshold)对上述充放电转换部的第四电容器的电压进行监测的追加性的电压管理器电路。上述充放电转换部130包括：第一开关器件M1，根据上述电压监测部160的第一开关控制信号S1来进行转换；第二开关器件M2，连接到上述第二电容器C2的另一侧端子与上述第三电容器C3的一侧端子之间，根据上述电压监测部160的第二开关控制信号S2来进行转换；第三开关器件M3，连接到上述第三电容器C3的另一侧端子与上述第四电容器C4的一侧端子之间，根据上述电压监测部160的第一开关控制信号S1的开关控制信号S1来进行转换；以及控制信号桥接单元BU，与上述第一开关器件M1的栅极端子相连接，来用作第一开关控制信号S1的媒介，包括用于使上述第一开关器件M1的栅极端子与第三电容器C3的一侧端子相连接的电阻R，以使上述第一开关器件M1的栅极的基本偏置(bias)电压成为上述第三电容器C3的一侧端子的电压。
[0018] 有益效果
[0019] 根据本发明的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置，以可使设置于充放电转换部的多个电容器在充电模式或放电模式下使连接状态变换成串联或并联的方式利用电压监测部的多个电压管理器电路来以与用于使负荷进行动作的驱动电压相对应地监测充放电转换部的内部特定电压，通过与之相对应地产生的开关控制信号来对充放电转换部的多个开关器件进行转换控制，在充电模式下，使充放电转换部的多个电容器串联连接，在放电模式下，以与用于使负荷进行驱动的驱动电压相对应的方式使多个电容器的连接状态依次以全部并联、部分串联及全部串联的顺序变换连接，由此，能够以与负荷的驱动电压相对应的方式最大限度再利用残存在各个电容器的电荷。
[0020] 并且，根据本发明，提供如下的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置，即，以与用于使负荷进行动作的驱动电压相对应地以在电压管理器监测的特定电压为基础来通过开关对充放电转换部的多个电容器的串联或并联的连接状态进行变换，可将残存在各个电容器的电荷最大限度再利用为用于使负荷进行驱动的驱动电压，因此，提高因不符合负荷的驱动电压而无法使用并被丢弃的电荷的利用，由此可实现长时间使用。
[0021] 不仅如此，根据本发明，利用电压监测部的电压管理器电路来监测充放电转换部的内部特定电压并对多个开关器件进行转换控制，由此防止多个开关器件的破损，由于对转换控制的时间不敏感而可实现可靠的电路动作，可由所体现的电路的硬件费用并不高的电路构成，还可使用低配置的常用器件来构成，由此可实现低价。附图说明
[0023] 图2为示出本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置的电路结构的图。
[0024] 图3为示出可在本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置中使用的电压管理器电路的一例的电路结构的图。
[0025] 图4为示出可在本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置中使用的充放电转换部的一变形例的电路结构的图。
[0026] 图5为示出可在本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置中使用的充放电转换部的再一变形例的电路结构的图。
[0027] 图6为示出可在本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置中使用的充放电转换部的电容器阵列的连接状态的图。
[0028] 图7为示出可在本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置中使用的控制信号桥接单元的结构的一例的图。
[0029] 图8为示出本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置的放电模式转换信号的产生方法的一例的图。
[0030] 图9为示出本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置的输出波形的结构的图。
具体实施方式
[0031] 以下，参照附图来对优选实施例进行详细说明，以便本发明所属技术领域的普通技术人员轻松实现本发明。但是，在对本发明的优选实施例进行说明的过程中，若判断为对于相关公知功能或结构的具体说明有可能使本发明的主旨不必要地变模糊，则将省略其详细说明。并且，在全部附图中，对于起到相似功能及作用的部分使用相同的附图标记。
[0032] 此外，在说明书全文中，当表示某个部分与其他部分“相连接”时，这不仅包括“直接连接”的情况，还包括在其中间设置其他器件来“间接连接”的情况。并且，只要没有特别相反的记述，“包括”某个结构要素意味着还可包括其他结构要素，而不是排除其他结构要素。
[0033] 图1为以功能块示出本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置的结构的图，图2为示出本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置的电路结构的图，图3为示出可在本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置中使用的电压管理器电路的一例的电路结构的图，图4为示出可在本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置中使用的充放电转换部的一变形例的电路结构的图，图5为示出可在本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置中使用的充放电转换部的再一变形例的电路结构的图，图6为示出可在本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置中使用的充放电转换部的电容器阵列的连接状态的图，图7为示出可在本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置中使用的控制信号桥接单元的结构的一例的图，图8为示出本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置的放电模式转换信号的产生方法的一例的图，图9为示出本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置的输出波形的结构的图。如图1及图2分别所示，本发明一实施例的利用电压管理器的可再利用残存电荷的能量收集装置100可包括压电器件部110、整流部120、充放电转换部130、电力传输开关部140、调节器150及电压监测部160。
[0034] 压电器件部110为通过使用人员的按压动作来产生交流电的结构。这种压电器件部110可将力学性地施加的压力变换为电压，通过使用人员对压电器件部110进行按压动作来产生交流电并进行输出。其中，压电器件部110的结构相当于普通结构，因此将省略不必要的说明。
[0035] 整流部120为对在压电器件部110产生的交流电整流成直流并输出的结构。这种整流部120可由包括4个二极管的桥接二极管(BD)构成。
[0036] 充放电转换部130包括利用从整流部120输出的输出电压来进行充电及放电的多个电容器和多个开关器件，以与多个开关器件所进行的转换相对应的方式将多个电容器的连接状态变换为串联或并联来调节能量的充电及放电。这种充放电转换部130以将要后述的电压监测部160的多个电压管理器电路的开关控制信号为基础，来在多个电容器的充电模式下使得多个电容器全部串联连接，在多个电容器的放电模式下，以与用于使负荷进行动作的驱动电压相对应的电压监测部160的多个电压管理器电路的开关控制信号为基础，多个电容器的连接状态依次以全部并联、部分串联及全部串联的顺序变换连接。
[0037] 其中，充放电转换部130可使多个电容器的数量增加为2的倍数。在此情况下，随着增设多个电容器，可增加二极管及开关的结构。
[0038] 并且，如图2所示，充放电转换部130包括：第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4，分别与整流部120的输出端并联连接；第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3，分别设置于第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4与整流部120的输出端之间，分别与第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4串联连接，上述第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4分别与整流部120的输出端并联连接；第一开关器件M1，连接到第一电容器C1的另一侧端子与第四二极管D4之间的连接结点以及第一二极管D1与第二电容器C2之间的连接结点，上述第四二极管D4与上述第一电容器C1串联连接，根据电压监测部160的第一开关控制信号S1来进行转换；第二开关器件M2，连接到第二电容器C2的另一侧端子与第五二极管D5之间的连接结点以及第二二极管D2与第三电容器C3之间的连接结点，上述第五二极管D5与上述第二电容器C2串联连接，根据电压监测部160的第二开关控制信号S2来进行转换；第三开关器件M3，连接到第三电容器C3的另一侧端子与第六二极管D6之间的连接结点以及第三二极管D3与第四电容器C4之间的连接结点，上述第六二极管D6与上述第三电容器C3串联连接，根据电压监测部160的第一开关控制信号S1的开关控制信号S1来进行转换；控制信号桥接单元(BU)，与第一开关器件M1的栅极端子相连接；以及电阻R，连接到第一开关器件M1与控制信号桥接单元之间的连接结点以及第二二极管D2与第三电容器C3之间的连接结点。其中，电阻R为具有百万欧姆级别值的非常大的电阻，几乎没有因在电阻流动的电流而产生的耗电，并起到对各个开关器件的栅极的基本偏置(bias)电压进行稳定化的功能。
[0039] 并且，设置于充放电转换部130的第一开关器件M1、第二开关器件M2、第三开关器件M3分别由金属氧化物半导体场效应晶体管构成，可由P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管或N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管中的一种构成。
[0040] 电力传输开关部140通过与充放电转换部130的输出端相连接来根据放电模式转换信号转换成放电模式。在充放电转换部130的充电模式下，这种电力传输开关部140将关闭，在充放电转换部130的放电模式下，这种电力传输开关部140将打开，以后侧的调节器150作为媒介来向负荷10传输从充放电转换部130的电容器阵列输出的电力。其中，如图8所示，放电模式转换信号为以下部件的输出中的一个，即，上述调节器150的输入端及输出端，或负荷10的应用，或以低临界值(threshold)对充放电转换部130的第四电容器C4的电压进行监测的追加性的电压管理器电路(V_S)。
[0041] 调节器150通过对在电力传输开关部140的放电模式的转换状态下传输的输出电压进行变换来向负荷10输出。这种调节器150起到如下的功能，即，以符合用于使负荷10进行驱动的驱动电压的方式对通过电力传输开关部140传输的充放电转换部130的电压进行调整并输出。
[0042] 电压监测部160设置有多个电压管理器电路，为了调节设置于充放电转换部130的多个电容器的充电及放电，对多个开关器件的转换进行控制，分别对充放电转换部130的内部特定电压进行监测，基于所监测的特定电压，分别输出开关控制信号。如图2所示，这种电压监测部160可包括：包括：第一电压管理器电路161(V_S_1)，对上述第三二极管D3与第四电容器C4之间的连接结点位置VC4P的电压状态进行监测，基于所监测的电压状态，来向上述第一开关器件M1和第三开关器件M3输出第一开关控制信号S1，上述第三二极管D3与上述第三开关器件M3相连接；以及第二电压管理器电路162(V_S_2)，对上述第二二极管D2与第三电容器C3之间的连接结点位置VC3P的电压状态进行监测，基于所监测的电压状态，来向上述第二开关器件M2输出第二开关控制信号S2，上述第二二极管D2与上述第二开关器件M2相连接。
[0043] 并且，在电压监测部160中，第一电压管理器电路161及第二电压管理器电路162分别输出用于对第一开关器件M1、第二开关器件M2、第三开关器件M3进行转换控制的第一开关控制信号S1及第二开关控制信号S2，第一开关控制信号S1及第二开关控制信号S2为与第一开关器件M1、第二开关器件M2、第三开关器件M3的各个栅极电压和漏极电压相差不大的控制信号，以防止开关器件破损。即，在充放电转换部130的第一开关器件M1、第二开关器件M2、第三开关器件M3堆积几十伏特(V)的因压电器件部110产生的电压，因而若没有适当的栅极电压，则有可能导致开关器件的栅极端子破损。为了防止这种多个开关器件的栅极端子破损，在第一电压管理器电路161及第二电压管理器电路162中以各个栅极电压和漏极电压相差不大的方式产生开关控制信号。
[0044] 并且，电压监测部160的第一电压管理器电路161及第二电压管理器电路162分别以在充放电转换部130监测的内部特定电压为基础来产生第一开关控制信号S1及第二开关控制信号S2，由于对时间不敏感，因此可实现可靠的电路动作。这可由电路的硬件费用并不高的电路来构成，还可使用低配置的常用器件来构成，由此可实现低价。
[0045] 参照图2，如下详细说明本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置的工作过程。
[0046] 首先，在未利用电压向初始充放电转换部130的第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4阵列充电的情况下，放电模式转换信号(EN信号)处于LOW状态，电力传输开关部140将维持被打开的关闭状态。另一方面，在通过压电器件部110来充电有电荷的情况下，第一开关器件M1、第二开关器件M2、第三开关器件M3将处于关闭的状态，因此，充放电转换部130的第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4形成串联连接并被充电。在此情况下，压电器件部110朝向第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4阵列侧的电容为C/4，与压电器件部110的阻抗相匹配，使得从压电器件部110的电能转换到充放电转换部130的效率最大化。其中，C意味着第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4各自的电容器。
[0047] 接着，电压监测部160对VC4P和VC3P的电压进行监测，在超出预定的规定电压临界值后再经过预定的延迟时间(delay time)后使第一开关控制信号S1及第二开关控制信号S2变为HIGH。接着，若第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4阵列得到充分充电，则放电模式转换信号将转换为HIGH，由此，电力传输开关部140被打开并转换成放电模式。在此情况下，V_{C1N、C2N、C3N}将全部下降到约OV(准确点为0V－[二极管的打开临界值电压])，第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4将形成并联连接。
[0048] 由此，开关控制信号S1、S2将达到HIGH状态且第一开关器件M1、第二开关器件M2、第三开关器件M3仍处于关闭的状态，因此即使V_{C1N、C2N、C3N}全部处于0V，也不会使电流沿着VC2P--->VC1N、VC3P--->VC2N、VC4P--->VC3N方向流动。并且，并联连接的第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4将形成共4C的电容器，可用符合负荷10应用的驱动电压的电压长时间向大电容器进行供给。其中，调节器150或负荷10的应用的最小驱动电压假设为2V。
[0049] 另一方面，在第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4阵列内部电压通过放电而下降并接近最小驱动电压(例如2V)的情况下，第一开关控制信号S1将变为LOW。其原因在于，若VC4P的电压下降到{2+α}V，则第一电压管理器电路161会将第一开关控制信号S1直接转换成LOW状态。在此情况下，与之相连接的VM1和VM3将下降到0V，使得P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的第一开关器件M1及第三开关器件M3将被打开。即，第一电容器C1及第二电容器C2和第三电容器C3及第四电容器C4将处于部分串联状态，由此，VC1P和VC3P将上升到最小驱动电压2V的倍数。
[0050] 之后，若在持续处于放电模式后使得处于部分串联状态的第一电容器C1及第二电容器和第三电容器C3及第四电容器C4的电压重新接近2V，则这次将使第二开关控制信号S2转换为LOW。其原因在于，若VC3P的电压下降到{2+β}V以下(或VC3P与VC3N之间的电压差下降到{1+β'}V电压以下)，则第二电压管理器电路162将与之相对应地将第二开关控制信号S2直接转换成LOW状态。因此，VM2的电压将下降到比VC2N更小的电压值，由此使第二开关器件M2打开。即，第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4将全部处于串联状态，VC1P将上升到最小驱动电压2V的倍数。其中，还可通过由N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管形成充放电转换部130的金属氧化物半导体场效应晶体管，来使用高电平有效(Active High)型电压管理器。
[0051] 图3示出可在本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置中使用的电压管理器电路的一例的电路结构。如图3所示，电压管理器为通常使用的普通电路结构，尤其形成大多以复位功率(POR，power of reset)用途使用的常用器件的结构。即，对于CPU等电子应用而言，当电压管理器判断为供给了驱动电压并使该电压充分得到稳定时，通过传送复位信号来驱动电子应用的动作。
[0052] 如图3所示，这种电压管理器起到如下的作用，即，在对VDD电压进行监测的过程中，通过对电压管理器的临界值电压(Vth)和相应的参考电压(Vref)进行比较并经过规定的延迟时间后决定是输出VDD电压还是输出VSS电压。即，若VDD大于Vth，则在规定延迟时间后使得电压管理器的输出达到HIGH，若VDD小于Vth，则以没有延迟时间的方式使电压管理器的输出直接达到LOW状态。在此情况下，电压管理器的延迟时间或Vth值可理解为将预先通过编程进行设定。即，电压管理器的延迟时间可预先设定为通过压电器件部110来达到充足的能量充电为止所需的时间。
[0053] 图4示出可在本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置中使用的充放电转换部的一变形例的电路结构。图4示出充放电转换部130的电容器增加至6个的情况，调节器或负荷电子应用的最小驱动电压假设成3V，基本的动作原理与之前详细说明的图2中的采用4个电容器的结构相似。但是，在图4所示的变形例中，在结构上存在如下不同之处，即，控制信号桥接单元与哪个开关器件相连接，电压管理器电路连接到哪里。即，通过电压管理器对从接近接地(0V)电压的电容器到形成部分串联连接的部分为止的电压VC6P、VC4P进行监测，在相同时间使控制信号桥接单元转换成部分串联，因而需与金属氧化物半导体场效应晶体管栅极的驱动电压电平互不相同的金属氧化物半导体场效应晶体管开关相连接(即，对于第一电压管理器电路161而言，与第一开关器件M1、第二开关器件M2、第四开关器件M4、第五开关器件M5相连接，对于第二电压管理器电路162而言，与第三开关器件M3相连接)。并且，可通过与相邻的金属氧化物半导体场效应晶体管开关栅极相连接并使需在相同时间被驱动的金属氧化物半导体场效应晶体管开关(对于V_S_1而言，分别为M1、M2、M4、M5，对于V_S_2而言为M3)与控制信号桥接单元相连接，来传输第一开关控制信号S1及第二开关控制信号S2，即，在第一电压管理器电路161及第二电压管理器电路162产生的第一开关控制信号及第二开关控制信号，也就是输出信号。
[0054] 图5示出可在本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置中使用的充放电转换部的再一变形例的电路结构。图5中采用了以图2所示的充放电转换部130为基础来将电容器的数量增加至8个的一例。动作原理基本上与图2所示的结构相同，将调节器或负荷电子应用的最小驱动电压假设为4V。即，图5所示的实施例在再增加一个部分串联变换过程这一点上存在不同，并在结构上还在充放电转换部130的电压监测部160增加电压管理器电路163这一点上存在不同。并且，在控制信号桥接单元与哪个开关相连接以及电压管理器设置于哪里方面采用与图4所示的实施例相同的方式。
[0055] 图6示出可在本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置中使用的充放电转换部的电容器阵列的连接状态。图6的(a)部分示出在电容器为4个的情况下的充电和放电的连接状态，图6的(b)部分示出在电容器为6个的情况下的充电和放电的连接状态，图6的(c)部分示出在电容器为8个的情况下的充电和放电的连接状态。即，以全部串联的状态充电荷来以使压电器件和阻抗相匹配的方式按最大效率接收能量传输，若放电模式转换信号转换为HIGH，则通过形成全部并联连接来使通过串联而堆积的高电压被分成N等分，电容器将成为N倍来将向负荷供给能量。若电压下降到接近预定的最小供给电压，则HIGH控制信号S1、S2、S3将依次下降为LOW，从而使电容器转换成部分串联或全部串联。根据本发明的充放电变换方法，若因通过压电器件形成的能量充电并不充分而导致电容器阵列形成全部并联连接，即，在电容器电压小于最小驱动电压的情况下，跳过全部并联模式并直接转换成部分串联模式，从而可满足驱动电压水平。
[0056] 图7示出可在本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置中使用的控制信号桥接单元的结构的一例。如图7所示，控制信号桥接单元为用深色表示的电路部分，与Mn的栅极及V_C{n+2}的点P相连接，是通过放电模式转换信号、Sk控制信号进行控制的单位电路。其中，n＝1、2、……、[电容器总数量]，k＝1、2、……、[控制信号总数量]。即，即使Sk的电压水平与V_CnN或V_C{n+1}的点P不符，相应单位电路也会在没有电压电平变换器(voltage level shifter)等单独电路的情况下稳定地进行动作。
[0057] 这种控制信号桥接单元进行动作的方法如下，即，若转换成放电模式的放电模式转换信号成为HIGH，则Sk将直接与Mn的栅极相连接，当放电模式转换信号处于LOW状态时(充电模式)，相应的控制信号桥接单元控制成无法向Mn施加Sk，来安全地保护Mn的栅极。若在以没有控制信号桥接单元的方式直接使Sk与Mn的栅极相连接，则在充电模式下的Sk处于LOW状态的情况下，Mn栅极电压非常低于以几十伏特充电的V_CnN或V_C{n+1}的点P，将存在Mn的栅极破损的危险。并且，即使Mn的栅极不破损，Sk的电压水平也与V_CnN或V_C{n+1}的点P不符，即使将Sk转换成HIGH，也导致Mn始终被打开，即使转换成放电模式，多个电容器也会形成全部串联连接，向负荷进行的能量传输的稳定性和效率将非常差。
[0058] 图8示出本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置的放电模式转换信号的产生方法的一例。图8的(a)部分示出利用能量收集器输出电压的方法，即，从作为在充放电转换部130产生的开关控制信号的Sk(k＝1、2、……、[控制信号的总数量])中选择一个来对与电力传输开关部140的栅极相连接的深颜色的N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管进行控制。即，若充分向充放电转换部130进行充电，则Sk将处于HIGH状态，由此，电力传输开关部140将被关闭并向调节器或DC-DC转换器传输输出电压。
[0059] 若将此时产生的输出电压用作放电模式转换信号，则直到输出电压完全下降为止，放电模式转换信号将维持HIGH，电力传输开关部140也可维持持续打开的状态。在此情况下，放电模式转换信号可从调节器或DC-DC转换器的输入端或输出端中抽取使用。图8的(b)部分示出负荷应用中的数字信号产生方法，当在放电模式下使Sk处于HIGH时，该信号将被输入到负荷应用，来从数字电路提供放电模式转换信号。尤其，在因设置电池而有辅助电源的情况下，即使没有如图8的(a)部分所示的触发(triggering)N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管也可，在没有辅助电源的情况下，还能够以如图8的(a)部分所示的方式设置N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管来使用。图8的(c)部分示出利用低临界值的电压管理器的输出信号的方法，通过利用低临界值的电压管理器来对充放电转换部130的电容器中的最接近接地的电容器C4的电压VC4P进行监测，将电压管理器的延迟时间设定成比用于生成开关控制信号S1、S2、……的追加的多个电压管理器的延迟时间长。在此情况下，可将追加设置的电压管理器的输出用作放电模式转换信号。
[0060] 图9示出本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置的输出波形的结构。图9示出由4个电容器(capacitor)结构形成的图2中的实施例的输出波形的例示。如图9所示，若因电力传输开关部140处于打开(EN HIGH；放电模式状态)并使电流向负荷侧流动，则在4个电容器阵列(capacitor array)充电的电压将以如图9的下部中的图表所示的方式逐渐减少。即，在4个电容器内部充电的电能将向负荷侧流动。由此，如图9的下部中的第一个图表所示，电压将减少。在此情况下，若电压管理器的输出S1变为LOW状态，则电容器以两个为一组来变为部分串联状态，电压将重新上升(约2倍～4V)。接着，随着电流输出持续进行，输出电压将重新减少，但若S2也变为LOW状态，则电压将再次重新上升，将以这种方式全部用掉残存电荷。如图9所示，α、β、β'为图2中的电压监测部160的第一电压管理器电路161及第二电压管理器电路162中所存在的裕度，VTH为充放电转换部130的二极管临界值电压(turn on threshold voltage)，大约为0.3V～0.8V。即，在图2中，电压监测部160的第一电压管理器电路161及第二电压管理器电路162需存在α、β、β'等的裕度(margin)的理由就是因为有VTH，为了符合最小驱动电压，需有能够与之相抵消的电压管理器临界值裕度。由此，在图9中，表示为“β-VTH或2×(β'－VTH)”，在达到2×(β'－VTH)的情况下，与在图2中以“或”表示的电压管理器结构(configuration)形成的情况相对应。因此，将在(β'－VTH)乘上2，其原因在于，如在图2中以“或”表示的电压管理器结构所示，[0061] 对与C4形成串联连接的C3电压进行监测，因此，电压管理器的Vth将达到2V的一半，即1V左右(更准确地达到1+β'V)。若未像本发明这样使用能够再利用残存电荷的结构，则在仅经过图9所示的电压图表中的第一个部分(显示为S1:HIGH、S2:HIGH)之后达到2V以下的电压的情况下，将直接解除充放电转换部130的放电模式，因此，与再利用残存电荷的结构相比，能量效率将明显下降。
[0062] 如上所述，根据本发明一实施例的利用电压管理器的能够再利用残存电荷的能量收集装置，以可使设置于充放电转换部的多个电容器在充电模式或放电模式下使连接状态变换成串联或并联的方式利用电压监测部的多个电压管理器电路来以与用于使负荷进行动作的驱动电压相对应地监测充放电转换部的内部特定电压，通过与之相对应地产生的开关控制信号来对充放电转换部的多个开关器件进行转换控制，在充电模式下，使充放电转换部的多个电容器串联连接，在放电模式下，以与用于使负荷进行驱动的驱动电压相对应的方式使多个电容器的连接状态依次以全部并联、部分串联及全部串联的顺序变换连接，由此，能够以与负荷的驱动电压相对应的方式最大限度再利用残存在各个电容器的电荷。并且，以与用于使负荷进行动作的驱动电压相对应地以在电压管理器监测的特定电压为基础来通过开关对充放电转换部的多个电容器的串联或并联的连接状态进行变换，可将残存在各个电容器的电荷最大限度再利用为用于使负荷进行驱动的驱动电压，因此，提高因不符合负荷的驱动电压而无法使用并被丢弃的电荷的利用，由此可实现长时间使用。尤其，利用电压监测部的电压管理器电路来监测充放电转换部的内部特定电压并对多个开关器件进行转换控制，由此防止多个开关器件的破损，由于对转换控制的时间不敏感而可实现可靠的电路动作，可由所体现的电路的硬件费用并不高的电路构成，还可使用低配置的常用器件来构成，由此可实现低价。
[0063] 以上说明的本发明可由本发明所属技术领域的普通技术人员实施多种变形或应用，本发明的技术思想的范围应由发明要求保护范围来定。
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