具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参看图1，图1为本发明实施例提供的一种基于并联同步开关电感电路的无线取能AC/DC变换器的原理图。

在一种实施方式中，本发明提供了一种基于并联同步开关电感电路的无线取能AC/DC变换器10，该无线取能AC/DC变换器10包括压电材料100、正向电压跟随器200、反向电压跟随器400、正向开关电路300、反向开关电路500、电感L、整流桥600和负载模块700；正向电压跟随器200、整流桥600和反向电压跟随器400均与压电材料100并联；负载模块700包括并联的负载和平波电容；负载模块700的第一端与整流桥600的第一输出端连接；负载模块700的第二端与整流桥600的第二输出端连接；正向开关电路300的第一输入端与正向电压跟随器200连接；正向开关电路300的第二输入端和控制端以及反向开关电路500的第一输出端和控制端均与压电材料100的正极连接；反向开关电路500的第二输出端与反向电压跟随器400连接；正向开关电路300的输出端和反向开关电路500的输入端均与电感的第一端连接；电感的第二端与压电材料100的负极连接；正向开关电路300通过正向电压跟随器200输出的电流和压电材料100的正向电流对电感所在回路进行正向开关控制；反向开关电路500通过压电材料100的反向电流对电感所在回路进行反向开关控制。

在上述实现过程中，通过正向电压跟随器200和正向开关电路300可以在压电材料100提供正向电压的时候进行通断控制和交直流转换；通过反向电压跟随器400和反向开关电路500可以在压电材料100提供反向电压的时候进行通断控制和交直流转换；无需使用位移传感器和数字控制系统，在实现开关自供能的同时简化了电路结构。

在一种实施方式中，正向电压跟随器200包括第一电阻R1、第一二极管D1和第一电容C1；第一电阻R1的第一端与压电材料100的正极连接；第一电阻R1的第二端与第一二极管D1的正极连接；第一二极管D1的负极与第一电容C1的第一端连接；第一电容C1的第二端与压电材料100的负极连接。

进一步地，正向开关电路300包括第一三极管T1、第二三极管T2、第二二极管D2、第三二极管D3；第一三极管T1的基极和第三二极管D3的正极均与压电材料100的正极连接；第一三极管的发射极与第一二极管D1的负极连接；第一三极管T1的集电极与第二二极管D2的正极连接；第二二极管D2的负极与第二三极管T2的基极连接；第二三极管T2的集电极与第三二极管D3的负极连接；第二三极管T2的发射极与电感L的第一端连接。

在上述实现过程中，正向电压跟随器200可以随压电材料100电压的变化进行变化；第一三极管T1和第二二极管D2可以组成一个正向的电压比较器，用于对压电材料100的电压和正向电压跟随器200的电压进行比较，当正向电压跟随器200的电压大于压电材料100的电压时，表示压电材料100的电压达到了正幅值，此时通过第一三极管T1就可以控制第二三极管T2导通，其具体工作过程如下：

第一电阻R1、第一二极管D1和第一电容C1构成了正向电压跟随器200，当压电材料100的正向电压增大时，第一二极管D1导通，电荷经过第一电阻R1对第一电容C1充电，第一电容C1上的电压跟随压电材料100的电压变化；此时第二二极管D2关断，第一三极管T1发射极和基极间的电压小于开通电压，第一三极管T1关断；因此第二三极管T2也处于关断状态，即控制开关处于断开状态。当压电材料100的电压达到正幅值并开始减小时，第一二极管D1承受反压关断，第一电容C1上的电压保持在压电材料100的正向电压幅值，随着压电材料100的电压继续减小，电压比较器中的第一三极管T1的基极电位随之减小，直到第一电容C1和第二三极管T2基极的电位差大于第二二极管D2和第一三极管T1的开通电压之和时，第二二极管D2和第一三极管T1开始导通，进而使第三二极管D3、第二三极管T2导通，即正向开关电路300闭合。之后，第一电容C1通过第二二极管D2和第一三极管T1放电，当第一电容C1放电结束时，第一三极管T1、第二三极管T2、第二二极管D2和第三二极管D3均关闭，即正向开关电路300断开。此时第一二极管D1再次导通，第一电容C1上的电压跟随压电材料100的电压变化，等到下个压电材料100电压正幅值到来时，开关将重复上述工作过程再次导通。

在一种实施方式中，反向电压跟随器400包括第二电容C2、第四二极管D4和第二电阻R2；第二电阻R2的第一端与压电材料100的正极连接；第二电阻R2的第二端与第四二极管D4的负极连接；第四二极管D4的正极与第二电容C2的第一端连接；第二电容C2的第二端与压电材料100的负极连接。

在一种实施方式中，反向开关电路500包括第三三极管T3、第四三极管T4、第五二极管D5和第六二极管D6；第三三极管T3的基极和第六二极管D6的负极均与压电材料100的正极连接；第三三极管T3的发射极与第四二极管D4的负极连接；第三三极管T3的集电极与第五二极管D5的负极连接；第五二极管D5的正极与第四三极管T4的基极连接；第四三极管T4的发射极与第二二极管D2的负极连接；第四三极管T4的集电极与第六二极管D6的正极连接。

在上述实现过程中，第二电容C2、第四二极管D4和第二电阻R2构成了反向电压跟随器400，当压电材料100的反向电压逐渐增大时，第二电容C2开始充电，当压电材料100的反向电压达到峰值并开始下降后，第二电容C2的电压保持在峰值，第二电容C2开始放电，且第二电容C2与压电材料100的正极间的压差足够大，提供的反向电压可以使第四三极管T4导通，从而使得第六二极管D6、第五二极管D5和第三三极管T3导通。

请参看图2、图3、图4、图5、图6和图7；图2为本发明实施例提供的一种并联同步开关电感电路的电压跟随与整流桥导通过程示意图；图3为本发明实施例提供的一种并联同步开关电感电路的第一电压反转过程示意图；图4为本发明实施例提供的一种并联同步开关电感电路的第二电压反转过程示意图；图5为本发明实施例提供的一种并联同步开关电感电路的电荷中和过程示意图；图6为本发明实施例提供的并联同步开关电感电路压电电压及整流二极管电流波形图；图7为本发明实施例提供的并联同步开关电感电路电压反转过程波形放大图。

在上述实现过程中，电路的工作过程可以分为4个过程：电压跟随与整流桥导通过程、第一电压反转过程、第二电压反转过程和电荷中和过程。

如图2所示，电压跟随与整流桥导通过程中：正向开关电路300中由正向电压跟随器200跟随压电材料100电压变化，第一二极管D1导通，第一电容C1上开始积累电荷。对于负向开关，虽然此时第四二极管D4承受反压关断，阻断了第二电容C2经第四二极管D4的充电路径，但第三三极管T3的基极和发射极构成的PN结承受正向电压导通(但发射极与集电极之间并没有导通)，电荷通过PN结对第二电容C2充电，使第二电容C2上出现电荷积累，电位也跟随压电材料100电压变化；同时在电压跟随过程的同时整流桥600也工作在整流状态；此时压电材料100电压V_P高于整流电压V_DC，整流桥600上臂二极管D7和下臂二极管D10导通，电荷由压电材料100经整流桥600转移到平波电容Cr上，只是此时的电流只有15uA左右，远小于开关闭合期间压电材料100的电流600uA左右。这说明在开关闭合期间压电材料100的电荷转移速率远高于开关断开时的转移速率，但由于开关闭合的时间相对机械振动周期非常短暂，此时压电材料100输出的电荷总量将略小于开关断开的时候压电材料100输出的电荷总量；压电材料100电压V_P与整流电压V_DC的差值主要是由整流桥600中二极管的导通压降引起的。

如图3所示，第一电压反转过程中，当压电材料100电压达到正幅值V₁并开始减小时，第一二极管D1承受反压关断，第一电容C1上的电压保持在V₁-V_D(V_D表示第三三极管T3的导通压降)。随着压电材料100的电压逐渐减小到V₁-V_D-V_BE(V_BE表示第一三极管T1开通的阈值电压)，第一三极管T1发射极和基极间电压高于开通阈值电压，第一三极管T1开始导通，进而使第二二极管D2、第二三极管T2和第三二极管D3都进入导通状态，正向开关电路300闭合。这时，第一电容C1通过第二二极管D2、第一三极管T1、第二三极管T2和电感L放电，压电材料100即可通过第三二极管D3、第二三极管T2与电感L形成串联谐振，压电材料100上积累的电荷转移到电感L上，压电材料100的正向电压达到最小值V₂。

如图4所示，第二电压反转过程中，当第一电容C1上的电荷完全释放，正向开关电路300断开，此时第三二极管D3和第二三极管T2中PN结的反向恢复电流为电感L提供续流通路，少量电荷回流到压电材料100。使压电材料100电压由V₂略微上升到V₃，虽然这一电压上升的幅度非常小，但局部极小值的出现有可能使负向开关出现误动作的情况。为了避免这一情况的发生，需要通过第二电阻R2来限制第二电容C2的放电过程，使第二电容C2的放电速度比压电材料100慢。

如图5所示，电荷中和过程中，第二电容C2上的电荷通过第四二极管D4转移到第一电容C1和压电材料100中。这一过程从压电材料100电压由正幅值开始下降时便已经存在，即它和第一电压反转过程和第二电压反转过程同时存在，即它和第一电压反转过程和第二电压反转过程同时存在；这导致串联开关同步电荷提取电路出现了一定的电荷回流现象。虽然在并联同步开关电感电路中，经第四二极管D4和整流桥600也给第二电容C2也提供了放电路径，但由于第二电容C2上的最高电压V₁-V_D-V_BE与整流电压V_DC相等，而且放电时电压下降，第二电容C2并不能通过整流桥600将电荷转移到平波电容Cr上。之后电路等待压电材料100电压负幅值的到来。

需要说明的是，为了减弱电荷中和过程的影响，第二电容C2应当尽量小，以减小回流的电荷和能量，提高转换效率。但如果第二电容C2过小，那么第二电容C2上的电荷将不能使第三三极管T3可靠导通，负向开关电流也就不能可靠导通，所以应当注意第一电容C1和第二电容C2的选择。

在一种实施方式中，第一电容C1的电容值为150pF；第一电阻R1的电阻值为100KΩ；第二电容C2的电容值为150pF；第二电阻R2的电阻值为100KΩ；平波电容的电容值为1uF；电感的电感值为10uH；通过这种方式可以减弱电荷中和过程的影响，减小回流的电荷和能量，提高转换效率。

综上所述，本发明实施例提供一种基于串联同步开关电感电路的无线取能AC/DC变换器，包括压电材料、正向电压跟随器、反向电压跟随器、正向开关电路、反向开关电路、电感、整流桥和负载模块；正向电压跟随器、整流桥和反向电压跟随器均与压电材料并联；负载模块包括并联的负载和平波电容；负载模块的第一端与整流桥的第一输出端连接；负载模块的第二端与整流桥的第二输出端连接；正向开关电路的第一输入端与正向电压跟随器连接；正向开关电路的第二输入端和控制端以及反向开关电路的第一输出端和控制端均与压电材料的正极连接；反向开关电路的第二输出端与反向电压跟随器连接；正向开关电路的输出端和反向开关电路的输入端均与电感的第一端连接；电感的第二端与压电材料的负极连接；正向开关电路通过正向电压跟随器输出的电流和压电材料的正向电流对电感所在回路进行正向开关控制；反向开关电路通过压电材料的反向电流对电感所在回路进行反向开关控制。通过上述过程，避免了位移传感器和数字控制系统的使用，在对电路进行自功能的同时极大地简化了电路结构。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。