用于對不具有被動涓流充電的植入式醫(yī)療設(shè)備中的耗盡電池進(jìn)行充電的電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種充電電路，其用于接收磁性充電場并使用所接收的充電場對不具有被動涓流充電的植入式醫(yī)療設(shè)備(IMD)中的電池進(jìn)行充電，即使電池電壓(Vbat)嚴(yán)重耗盡。所述充電電路包括能夠通過電流反射鏡產(chǎn)生恒定充電電流的源，其中所述電流反射鏡接收用于設(shè)定充電電流的參考電流。提供兩個參考電流生成器：當(dāng)Vbat嚴(yán)重耗盡時啟用第一參考電流生成器以產(chǎn)生較小的不可調(diào)參考電流；一旦Vbat恢復(fù)則啟用第二參考電流生成器以產(chǎn)生可被控制以調(diào)整充電電流的參考電流。因為Vbat可能過低，所以第一生成器由從磁性充電場產(chǎn)生的DC電壓來供電，使用被動生成的欠壓控制信號以在第一和第二生成器的使用之間轉(zhuǎn)換。
【專利說明】用于對不具有被動涓流充電的植入式醫(yī)療設(shè)備中的耗盡電池進(jìn)行充電的電路
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2014年I月16日提交的美國臨時專利申請案61/928，352和61/928，391的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及植入式醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種用于植入式醫(yī)療設(shè)備的電池充電電路。
【背景技術(shù)】
[0004]植入式刺激設(shè)備將電刺激遞送到神經(jīng)和組織以用于各種生物失常的治療，例如，用于治療心律失常的起搏器，用于治療心臟纖維顫動的去顫器，用于治療耳聾的耳蝸激勵器，用于治療失明的視網(wǎng)膜激勵器，用于產(chǎn)生協(xié)調(diào)肢體運動的肌肉激勵器，用于治療慢性疼痛的脊髓激勵器，用于治療運動和心理失常的皮質(zhì)和深腦激勵器以及用于治療尿失禁、睡眠呼吸暫停、肩部半脫位等的其它神經(jīng)激勵器。下文的描述一般將集中于本發(fā)明在脊髓刺激(SCS)系統(tǒng)中的使用，例如公開于美國專利6，516，227中。然而，本發(fā)明可適用于任何植入式醫(yī)療設(shè)備或任何植入式醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)。
[0005]SCS系統(tǒng)通常包括在圖1A和IB中以平面圖和橫截面圖示出的植入式脈沖生成器(IPG) 10 ο IPG 10包括生物相容設(shè)備外殼30，其容納有所述IPG運行所必需的電路和電池36。電極16被配置成接觸患者的組織并且由柔性體18承載，所述柔性體18還容納耦合到各個電極16的單個引線20。引線20還耦合到鄰面觸點22，其可插入固定在IPG 10上的頭部28中的引線連接器24，其中所述頭部可包含，例如，環(huán)氧樹脂。一旦插入，鄰面觸點22就連接到頭部觸點26，所述頭部觸點26又通過饋通引腳34經(jīng)由外殼饋通32耦合到外殼30內(nèi)的電路。
[0006]在示出的IPG10中，三十二個引線電極(E1-E32)分裂在四個引線14之間，其中頭部28含有2x2陣列的引線連接器24。然而，IPG中的引線和電極的數(shù)量是應(yīng)用特定的，因此能夠變化。在SCS應(yīng)用中，電極引線14典型地植入患者脊髓內(nèi)硬脊膜的附近，并且當(dāng)使用四引線IPG 10時，這些引線通常在硬脊膜的左右側(cè)中的每一側(cè)分裂兩個。鄰面電極22隧穿患者組織到達(dá)IPG外殼30所植入的遠(yuǎn)端位置，例如，臀部，在該點處其耦合到引線連接器24。在另一示例中，四引線IPG 10還可用于深腦刺激(DBS)。在設(shè)計用于在需要刺激的部位直接植入的其它IPG示例中，IPG可無引線的，而是具有出現(xiàn)在IPG主體上的用于接觸患者組織的電極16。
[0007]如圖1B的橫截面中所示，IPG 10包括:印刷電路板(PCB)40。電耦合到PCB 40的是電池36，在本示例中，電池36是可再充電的；耦合到PCB的頂面和底面的其它電路50a和50b;遙測線圈42，其用于與外部控制器(未示出)無線通信;充電線圈44，其用于從用以對電池36進(jìn)行再充電的外部充電器90(圖2)中無線接收磁性充電場；以及饋通引腳34(連接未示出)。若電池36為永久的且不可再充電，則無需充電線圈44。(可在于2013年9月13日提交的美國專利申請案序列號61/877,871中找到關(guān)于線圈42和44及其所通信的外部設(shè)備的進(jìn)一步細(xì)節(jié))。
[0008]IPG 10中、尤其其中電池36是可再充電的IPG 10中需要注意一個問題是電池管理電路的設(shè)計，其描述于共同擁有的美國專利申請公開案2013/0023943中。圖2示出公開案‘943中所公開的電池管理電路84，對其進(jìn)行了簡要地論述。可再充電電池36可包含鋰離子聚合物電池，當(dāng)充滿電時，其可提供約4.2伏的電壓(Vbat = Vmax)。然而，其它可再充電電池化學(xué)也可用于電池36。
[0009]如所述，外部充電器90通常為手持式電池供電設(shè)備，其從線圈92生成磁性非數(shù)據(jù)調(diào)制充電場98(例如，80kHz)。在IPG 10中，前端充電電路96與磁場98相遇，此處通過在線圈中感生電流對充電線圈44進(jìn)行激勵。包括整流器且可選地包括濾波電容器和電壓-量值限制齊納二極管(例如，限制為5.5V)的整流器電路46對感生電流進(jìn)行處理以建立電壓Vl(例如，〈5.5V)，將此電壓通過防逆流二極管48以生成DC電壓Vdc。耦合到充電線圈44的晶體管102可由IPG 10進(jìn)行控制(通過控制信號LSK)以在磁場98的生成過程中通過負(fù)載位移鍵控(Load Shift Keying)向外部充電器90回傳數(shù)據(jù)，如眾所周知的那樣。
[0010]如公開案‘943中所論述，向電池管理電路84提供Vdc，電池管理電路84連同IPG 10的運行所必需的其它電路可位于專用集成電路(ASIC)上，其中IPGlO的運行所必需的其它電路包括:電流生成電路(用于向電極16的所選一個(些)提供指定電流)；遙測電路(用于對與圖1B的遙測線圈42相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào))；各種測量和生成器電路；系統(tǒng)存儲器；等等。前端充電電路96和電池36通常包含:芯片外(ASIC外)組件，連同IPG 10中的其它電子設(shè)備，例如遙測線圈42;耦合到電極16的各種DC截斷電容器(未示出)；微控制器100，其可通過數(shù)字總線88與ASIC(以及電池管理電路84)通信；以及與本文關(guān)系不大的其它組件。在一個不例中，微控制器100可包含Part Number MSP430，其由Texas Instruments制造，描述于http://www.t1.com/lsds/ti/microcontroller/16_bit_msp430/overview.page?DCMP =MCU_othertHQS = msp430處的數(shù)據(jù)表中。ASIC可如美國專利申請公開案2012/0095529中所描述。
[0011]圖2中的電池管理電路84由兩個電路塊組成:充電電路80，其用于生成對電池36進(jìn)行充電的電流；以及負(fù)載隔離電路82，其用于將電池36可控地連接到在IPG 10的正常運行過程中電池36所供電的負(fù)載75或與其斷開。負(fù)載75可包含芯片內(nèi)(ASIC內(nèi))電路塊(例如電流生成電路和前述的遙測電路43)和芯片外(ASIC外)組件(例如微控制器100)兩者。
[0012]如所描繪，充電電路80、負(fù)載隔離電路82和電池36通常具有T形拓?fù)洌渲谐潆婋娐?0介于前端充電電路96(Vdc)和電池36的正極端子(Vbat)之間，并且負(fù)載隔離電路82介于Vbat和負(fù)載75之間。
[0013]如公開案’943中所論述，取決于若干條件，負(fù)載隔離電路82能夠防止電池36(Vbat)向負(fù)載(Vload)供電。例如，若負(fù)載75正引出相當(dāng)高的電流(如由過電流檢測電路74通過斷定控制信號01來指示的那樣)，或者若Vbat過低(如由欠壓檢測電路70通過斷定控制信號UV來指示的那樣)，或者若舌簧開關(guān)78指示外部磁場信號μ(例如，在由患者許可外部關(guān)機磁鐵的存在的緊急情況下)，負(fù)載75將通過開關(guān)62或64從Vbat去耦合，如由“或”門76輔助。在上文參考的公開案‘943中更詳細(xì)地論述了負(fù)載隔離電路82。若Vbat過高，則還提供放電電路68以故意地消耗電池36。
[0014]與本公開內(nèi)容更為相關(guān)的是充電電路80，其開始于Vdc，即前端充電電路96響應(yīng)于外部充電器90的磁場98而生成的DC電壓。Vdc分成并聯(lián)連接在Vdc和Vbat之間的的充電電路80中的兩個路徑:涓流充電(trickle charging)路徑和主動充電(active charging)路徑，其任一者可用于向電池36(Vbat)提供電池充電電流(Ibat)。
[0015]涓流充電路徑是被動的，S卩，其運行不受控制信號的控制，并且除了由Vdc所提供的生成用于電池36的充電電流(Itrickle)的功率之外無需其它功率。如所示，涓流充電路徑向限流電阻器50和一個或多個二極管52呈現(xiàn)Vdc，并且用于向電池36提供小充電電流I tr i ckI e。當(dāng)電池36顯著耗盡時，S卩，若Vbat低于閾值Vt I，例如2.7V，使用小涓流充電電流尤其有效。
[0016]為了生成Itrickle，Vdc必須高于電阻器50和二極管52上的電壓降與電池36的電壓Vbat之和。在典型條件下并且假設(shè)使用三個二極管52和一個200歐姆電阻器50，電阻器50和二極管52上的電壓降將為約2.0伏。因此，若Vdc大于約2.0V+Vbat，則Itrickle將被動地流入電池36。若不滿足此條件——其指示Vdc太小(或許因為外部充電器90和IPG 10之間的耦合較差)，或Vbat太高(其可當(dāng)電池36被逐漸充電時出現(xiàn))——二極管52將防止電池36通過涓流充電路徑反向消耗。Itrickle通常為大約10毫安。此為令人滿意地小，這是因為若接收到太高的充電電流(Ibat)，則顯著耗盡的可再充電電池36可能被損壞，如我們所熟知。
[0017]在圖2中，主動充電路徑從Vdc經(jīng)由電流/電壓源56前進(jìn)到電池36，其中電流/電壓源56用于產(chǎn)生充電電流Iactive。在圖2的示例中，主動充電路徑還經(jīng)過用于電池管理電路84的控制和保護(hù)量具，包括結(jié)合充電電流檢測器72使用的充電電流感測電阻器58，以及結(jié)合過壓檢測器66使用的過壓保護(hù)開關(guān)60，以在電池電壓Vbat超出最大值(例如Vmax = 4.2V)時將主動充電路徑斷路。
[0018]圖3A示出用于主動充電路徑中的電流/電壓源56的電路。如其名稱所暗示，源56可被控制以在主動充電過程中向電池36提供恒定電流或恒定電壓。源56包含由P通道晶體管104和106組成的電流反射鏡，其由Vdc供電并接收由參考電流生成器電路113提供的參考電流Iref。電流反射鏡控制晶體管104在電流反射鏡輸出晶體管106中反射Iref的表示以產(chǎn)生主動充電電流Iactive。在所示出的示例中，并聯(lián)有線連接M個輸出晶體管106，因此輸出晶體管106所提供的電流等于Iactive =M*Iref。還可使用單個更寬的輸出晶體管106 (比電流反射鏡控制晶體管104寬M倍)。
[0019]可通過一個或多個控制信號Itrim[2:0]來調(diào)整用于產(chǎn)生Iref的參考電流生成器113，并且參考電流生成器113還包含電流反射鏡。如示出，將系統(tǒng)參考電流I’(例如，I OOnA)反射到晶體管116、118和120，其各自串聯(lián)耦合到由Itrim控制信號所控制的選通晶體管。晶體管116、118和120優(yōu)選為不同的寬度，或包含不同數(shù)量的并聯(lián)晶體管，以提供對Iref的不同貢獻(xiàn)。例如，取決于1壯加0、1壯加1和1壯11112中的哪個控制信號是有效的，晶體管116、118和120可向Iref分別貢獻(xiàn)I’*N、I’*2N和I’*4N，因此允許Iref以增量I’*N從I’*N變化到I’*7N。可使用額外的Itrim控制信號和額外的電流反射鏡輸出晶體管(例如，116-120)在更寬的范圍內(nèi)和/或以更小的分辨度控制Iref。以此方式調(diào)整Iref繼而通過上述電流反射鏡晶體管104和106的運行來調(diào)整Iactive。
[0020]由源控制器86發(fā)出控制信號Itrim，其中源控制器86通過數(shù)字總線88與微控制器100通信，因此微控制器100可控制源控制器86以繼而通過Itrim和下文將進(jìn)一步討論的其它控制信號來對源56進(jìn)行控制。
[0021]源56運行以生成充電電流所在的模式取決于微控制器100所知的電池電壓Vbat的量值。若電池36顯著放空，即，Vbat〈Vtl (例如，2.7)，則微控制器100命令源控制器86停用源56。此通過源控制器86向參考電流生成器113發(fā)出充電啟用控制信號Ch_en=‘0’而發(fā)生，其中充電啟用控制信號Ch_en=‘0’關(guān)閉N通道晶體管108并停用參考電流Iref的生成，由此停用Iactive的生成。因此，在這種情況下，電池36可僅通過涓流充電路徑進(jìn)行充電，并且只有當(dāng)磁場98和Vdc存在并且充足時。
[0022]若￥匕&0￥^但是低于下文將進(jìn)一步描述的上閾值￥七2(即，若￥七1〈￥匕&七〈￥七2)，則源56以恒定電流模式運行。在此模式中，Ch_en= ‘ I ’，并且晶體管108允許Iref由此允許Iactive以由Itrim控制信號最終設(shè)定的量值流動。當(dāng)源56以恒定電流模式運行時，Iactive通常為大約50毫安。主動電流路徑中的P通道晶體管開關(guān)114在恒定電流模式中完全接通，因此允許Iacti ve無阻抗地從源56流至電池36。
[0023]若Vbat>Vt2(例如，4.0V)，則源56以恒定電壓模式運行。在此模式中，仍斷定Ch_en和Itrim控制信號。在本示例中，Vt2閾值的越過和充電模式的切換不依賴于微控制器100，而是受到源56中的Vbat測量電路111的影響。在此電路111中通過高阻抗電阻器梯確定Vbat，其中高阻抗電阻器梯產(chǎn)生指示Vbat的電壓Va。在放大器112中對Va和已知的帶隙參考電壓Vref進(jìn)行比較。當(dāng)VaXVref時，指示Vbat>Vt2，放大器112開始斷開晶體管114，并且源56以恒定電壓模式運行，向電池36的正端子提供基本上恒定電壓。在此模式中，當(dāng)電池36的內(nèi)部電池電壓增大時，其內(nèi)部電阻導(dǎo)致Iactive按指數(shù)規(guī)律下降，直到Vbat達(dá)到最大值Vmax(例如，4.2V)。此時，微控制器100將認(rèn)為對電池36的充電完成，并且將再次斷定Ch_en=‘0’以進(jìn)一步削減主動充電O (此外，也可斷開過電壓開關(guān)60)。相反，當(dāng)Va〈Vref，指示Vbat〈Vt2時，放大器112導(dǎo)通P通道晶體管114，并且，源56以恒定電流模式運行，如前述那樣。視需要，可使用控制信號Vtrim來微調(diào)電壓Va以對本質(zhì)上設(shè)定閾值Vt2的梯中的電阻進(jìn)行微調(diào)。
[0024]圖3B大體上示出充電電路80的運行以在充電會期(charging sess1n)作為時間的函數(shù)產(chǎn)生由嚴(yán)重耗盡電池36 (S卩，其中Vbat低于更低的閾值V(UV) = 2.0V)所接收的充電電流(Ibat)，包括如前述由充電電路80啟用的涓流、恒定電流和恒定電壓模式。還示出這些模式中的每一個的充電電流的典型值，以及作為百分?jǐn)?shù)不出的電池36的容量。
[0025]圖2的電池管理電路84提供額外的保護(hù)，如公開案‘943中所論述。例如，優(yōu)選地，將在數(shù)量上與二極管52匹配的二極管54連接在涓流充電路徑和主動充電路徑之間，其確保過電壓開關(guān)60的源極和漏極偏壓到相同的電壓，S卩Vbat，即使在Vbat較低時也是如此。因此，二極管54通過過電壓開關(guān)60保護(hù)電池36不被非故意地放電，尤其在當(dāng)Vbat已嚴(yán)重較低時的、以及在因此可能難以向P通道晶體管60的柵極提供適當(dāng)高的電壓以使其斷開時的不適當(dāng)時間處。
[0026]低電平的￥&&丨的問題重大。若￥&&丨嚴(yán)重耗盡，8卩，例如，若￥&&丨〈￥(1^)〈2.0￥，則難以通過傳統(tǒng)的涓流充電技術(shù)來恢復(fù)(再充電)電池36。這是因為，如上文所提及，可再充電電池不能在不損壞的情況下處理較大的充電電流，并且當(dāng)Vbat〈V(UV)時，如由涓流充電路徑中的組件(50，52)的電阻R被動地設(shè)置的那樣，Itrickle可能太大。實際上，本發(fā)明人注意到，公開案‘ 943的涓流充電路徑加劇了此問題:盡管I tri ckle的量值應(yīng)與Vbat的量值理想地成比例(即，Itrickle隨著Vbat的減小而減小)以防止電池?fù)p壞，但是可出現(xiàn)此理想的反面。這是因為I trickle = (Vdc-Vbat)/R，因此I tri ckle隨著Vbat的減小而增大，如圖313所示。Itrickle的這種行為與對嚴(yán)重耗盡電池進(jìn)行安全地再充電所希望的相反。
[0027]此外，在任何情況下均難以控制Itrickle的量值，這是因為其隨Vdc的變化而變化。Vdc根據(jù)外部充電器90中的充電線圈92與IPG 10中的充電線圈44之間的耦合而變化，該耦合受到線圈之間的距離、軸向偏移和角偏移的影響。參看，例如，美國專利申請公開案2013/0096651。因為不同患者具有以不同的深度和角度植入的IPG，所以Vdc在患者之間將不同；例如，具有較淺(良好耦合)植入的患者將比具有較深(不良耦合)植入的患者寄存更高的Vdc。此外，對于給定的患者，Vdc也會不時地變化，因為該患者在不同的充電會期不會總是將外部充電器90定位在相對于IPG 10的完全相同的地方，或者因為在充電會期此定位可能移位。這些影響中的任何一個均可導(dǎo)致Vdc發(fā)生變化，典型地從2.5到5.5V。這種Vdc變化意味著在一種情況下Itrickle可能太低而不顯著，或者下另一種情況下太高，加劇電池可靠性問題。
[0028]因此，本發(fā)明人注意到使用被動涓流充電對植入式醫(yī)療設(shè)備的電池進(jìn)行充電的問題，尤其在低電池電壓下，并且提供了新的技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0029]本發(fā)明公開了一種用于植入式醫(yī)療設(shè)備的電池充電電路，在一個示例中，其包含:可再充電電池，其具有電池電壓并且被配置成接收電池充電電流;前端電路，其被配置成在接收到無線充電場時生成DC電壓;欠壓檢測電路，其被配置成指示所述電池電壓是高于還是低于閾值電壓；以及，源電路，其被配置成當(dāng)所述欠壓檢測電路指示電池電壓低于所述閾值電壓時產(chǎn)生作為電池充電電流的第一電池充電電流，并且當(dāng)所述欠壓檢測電路指示電池電壓高于所述閾值電壓時產(chǎn)生作為電池充電電流的第二電池充電電流。
[0030]所述源電路可包含電流反射鏡，其被配置成從參考電流產(chǎn)生所述電池充電電流并且可由所述DC電壓供電。所述電路可進(jìn)一步包含第一參考電流生成器和第二參考電流生成器，其中所述第一和第二參考電流生成器被配置成互相排他地啟用以提供所述參考電流。當(dāng)所述欠壓檢測電路指示電池電壓低于所述閾值電壓時，可啟用所述第一參考電流生成器，而當(dāng)所述欠壓檢測電路指示電池電壓高于所述閾值電壓時可啟用所述第二參考電流生成器。
[0031]第一電池充電電流的量值可獨立于DC電壓的量值，其還可為可調(diào)整的。第二電池充電電流的量值是可根據(jù)一個或多個控制信號進(jìn)行調(diào)整的。所述第一電池充電電流小于所述第二參考電流。
[0032]在另一示例中，一種用于植入式醫(yī)療設(shè)備的電池充電電路包含:可再充電電池，其具有電池電壓并且被配置成接收電池充電電流;前端電路，其被配置成在接收到無線充電場時生成DC電壓;欠壓檢測電路，其被配置成指示所述電池電壓是高于還是低于閾值電壓；以及源電路，其被配置成從參考電流產(chǎn)生所述電池充電電流，其中所述源電路包含:第一參考電流生成器，其被配置成當(dāng)所述欠壓檢測電路指示電池電壓低于所述閾值電壓時產(chǎn)生作為參考電流的第一參考電流；以及，第二參考電流生成器，其被配置成當(dāng)所述欠壓檢測電路指示電池電壓高于所述閾值電壓時產(chǎn)生作為參考電流的第二參考電流。
[0033]所述源電路可包含電流反射鏡，其被配置成從所述參考電流產(chǎn)生所述電池充電電流并且可由所述DC電壓供電。所述第一參考電流生成器可由所述DC電壓供電，并且所述第一參考電流的量值可獨立于DC電壓的量值。優(yōu)選地，所述第一參考電流的量值是不可調(diào)整的并且由所述第一參考電流生成器設(shè)定。所述第二參考電流生成器是由所述電池電壓供電，并且所述第二參考電流的量值是可根據(jù)一個或多個控制信號進(jìn)行調(diào)整的。所述第一參考電流可小于所述第二參考電流。
[0034]所述前端電路可包含:線圈，其被配置成由所述無線充電場激勵；以及，整流器電路，其被配置成從被激勵的線圈產(chǎn)生DC電壓。
[0035]所述欠壓檢測電路不受控制信號的控制，并且可向所述源電路發(fā)出欠壓控制信號，其中所述欠壓控制信號指示所述電池電壓是高于還是低于閾值電壓。
[0036]所述電路可進(jìn)一步包含:開關(guān)，其被配置成將所述電池充電電流傳送到所述電池，其中所述開關(guān)由電池電壓測量電路(并且由此的根據(jù)電池電壓)來控制。
[0037]優(yōu)選地，所公開的電路在所述DC電壓和所述電池電壓之間不包含被動涓流充電路徑。
【附圖說明】
[0038]圖1A和IB以平面圖和橫截面圖示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有可再充電電池的植入式脈沖生成器(IPG);
[0039]圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于IPG的電池管理電路，其包括涓流充電路徑和主動充電路徑兩者；
[0040]圖3A示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于主動電流路徑中的電流/電壓源的電路，而圖3B以時間的函數(shù)示出由涓流充電路徑和主動充電路徑兩者提供的電池充電電流的圖示；
[0041]圖4示出改良電池管理電路，尤其不包括涓流充電路徑、但是包括主動充電路徑中的改良源電路的改良充電電路；
[0042]圖5A示出供改良源電路使用的用于監(jiān)測欠壓條件的電路；
[0043]圖5B示出根據(jù)本發(fā)明的一個方面的改良源電路，包括:在欠壓條件期間由Vdc供電的欠壓參考電流生成器，其允許生成較小的穩(wěn)定充電電流；以及在未斷定欠壓條件時由Vbat供電的參考電流生成器，其允許根據(jù)控制信號生成充電電流；
[0044]圖5C示出根據(jù)本發(fā)明的一個方面的使用改良充電電路提供的作為時間的函數(shù)的電池充電電流的圖示。
【具體實施方式】
[0045]本發(fā)明公開了一種用于對例如IPG等植入式醫(yī)療設(shè)備(IMD)中的電池進(jìn)行充電的改良充電電路。所述充電電路包括源，其能夠通過電流反射鏡產(chǎn)生恒定充電電流，其中所述電流反射鏡接收用于設(shè)定充電電流的參考電流。提供兩個參考電流生成器。第一參考電流生成器由Vdc供電(由前端電路在接收到磁性充電場時產(chǎn)生的電壓)，并且在Vbat被嚴(yán)重耗盡時被啟用以產(chǎn)生較小的不可調(diào)參考電流，其具有獨立于Vdc電源的穩(wěn)定量值。此允許電流反射鏡產(chǎn)生較小的充電電流，其亦獨立于Vdc并且考慮到電池的耗盡狀態(tài)，即使Vbat的低值太低以致于通常不能可靠地控制充電電路也是如此。一旦電池電壓適當(dāng)恢復(fù)，則啟用所述第二參考電流生成器以產(chǎn)生參考電流?？赏ㄟ^控制信號來調(diào)整由第二參考電流生成器產(chǎn)生的參考電流的量值、以及由此的所得的充電電流的量值，其中若Vbat升高，則所述控制信號現(xiàn)在是可靠的。使用被動生成的欠壓控制信號來啟用和停用第一和第二參考電流生成器的使用。通過使用此改良充電電路，可對電池進(jìn)行充電，而無需被動涓流充電路徑，即使電池嚴(yán)重耗盡也是如此。
[0046]如所述，本發(fā)明人注意到與如圖2的現(xiàn)有技術(shù)中所使用的被動涓流充電電路相關(guān)的問題。給定對電流/電壓源56進(jìn)行編程的能力(通過Itrim控制信號)以設(shè)定主動充電路徑中的Iactive的量值，本發(fā)明人認(rèn)為，當(dāng)電池36顯著耗盡(例如，低于Vtl = 2.7V)時，簡單地從充電電路80去除涓流充電路徑并且對源56進(jìn)行編程以提供顯著更小的充電電流。事實上，此包含啟用源56以在這些較低電壓下為Vbat運行，從而提供通常模仿由Itrickle提供的充電電流量值(例如，10_安)的較小充電電流。
[0047]然而，現(xiàn)有技術(shù)的主動充電路徑中使用的充電電路80在低電平的Vbat下可能不能良好運行，尤其若電池36嚴(yán)重耗盡(Vbat〈V( UV ) = 2.0)時。這是因為Vbat通常還向充電電路80提供電源。例如，并且如圖3A所示，Vbat測量電路111中的放大器112由Vbat供電。參考電流生成器113最終也依靠Vbat并且由Vbat供電，尤其是因為系統(tǒng)參考電流I’是使用Vbat來生成?？刂菩盘?Itrim、Vtrim、Ch_en)也依賴于Vbat，因為微處理器110和源控制器86也是由Vbat供電。因此，在Vbat被嚴(yán)重耗盡時，源56中的模擬電路和數(shù)字控制信號可能不能可靠地運行。此妨礙了源56在這些較低電池電壓下的使用以提供所需的較小充電電流。
[0048]圖4示出用于例如IPG10等的具有可再充電電池36的植入式醫(yī)療設(shè)備的改良充電電路180。如圖4中所描繪的電池管理電路84中的許多組件與上文所論述的且示于圖2的公開案‘943相同，因此不再描述。例如，負(fù)載隔離電路82可保持不變，并且如前述運行。為易于觀察，在圖4中去除了一些組件(外部充電器90、前端充電電路96)。
[0049]改良充電電路180中存在若干差異。首先，不存在涓流充電路徑，并且主動充電路徑包括改良電流/電壓源電路156，其排他地使用以對電池36進(jìn)行充電，即使當(dāng)電池嚴(yán)重耗盡時也是如此。應(yīng)注意，涓流充電路徑的去除簡化了充電電路180，包括先前連接在涓流充電路徑和主動充電路徑之間的二極管54(圖2)的去除。盡管去除涓流充電路徑可優(yōu)選地去除上文識別出的問題，但是其仍可用于充電電路180，但是或許被被動地設(shè)置(由電阻器50、二極管52;圖2)以提供毫安級的極小電流，從而僅確保不會損壞電池36得極小ItrickleAP使Vbat被嚴(yán)重耗盡到接近零伏特的電平也是如此。
[0050]其次，源156接收欠壓控制信號UV作為輸入。為方便起見，此控制信號UV可與欠壓檢測電路70發(fā)出的控制信號相同，后者用于通過如前述的負(fù)載隔離電路82中的開關(guān)62和64來控制電池36與負(fù)載75的連接。然而，可將控制信號UV從不同的欠壓檢測器(未示出)供應(yīng)至IJ源156，或許設(shè)置為在與壓檢測器70不同的閾值電壓(V(UV) =2.0V)處觸發(fā)。
[0051]圖5A示出如公開案‘943中所公開的用于欠壓檢測器70的電路。注意到，欠壓檢測器70不接收控制信號并且不受控制信號的控制，因此被動輸出控制信號UV，這是優(yōu)選的，因為當(dāng)控制信號不可信賴時，此電路必須在低電平的Vbat下可靠地工作。當(dāng)Vbat>V(UV) =2.0V時，由二極管170和電阻器172形成的分壓器在N通道晶體管176的柵極處形成適當(dāng)高的電壓以將其接通，其將UV拉向‘O’。與此相反，當(dāng)Vbat〈V(UV) = 2.0V時，晶體管176的柵極處的電壓非足夠高地接通該晶體管。因此，通過上拉電阻174將UV拉向‘I’(即，拉向Vbat)。電阻器172和174均處于幾十兆歐的范圍內(nèi)。因此，二極管170(及其數(shù)量)和電阻器172上的正向壓降可有效地運行以設(shè)定閾值V(UV)的值。盡管未示出，但是控制信號UV可在欠壓檢測器70的輸出處被緩沖以改良其完整性。
[0052]圖5B示出電流/電壓源電路156的變化。主動控制的參考電流生成器113大部分保持如上文關(guān)于圖2所描述，并且同樣由控制信號Itrim控制以調(diào)整Iref，并由此調(diào)整Iactive。然而，如下文進(jìn)一步解釋，僅當(dāng)Vbat>V(UV) = 2.0V時才啟用主動控制的參考電流生成器113并用于向電流反射鏡晶體管104提供Iref。這是希望的在當(dāng)給定由Vbat供電的主動控制的參考電流生成器113(尤其如系統(tǒng)參考電流I’所反映的那樣)以及及其對Vbat的通常依賴(如對由Vbat最終生成的I trim控制信號的信賴性所反映)時，其可導(dǎo)致生成器113在低電平的Vbat下不可靠地的允許。注意到，增加了“與”門190以控制參考電流啟用晶體管108的柵極，如下文將進(jìn)一步解釋。
[0053]在源156中新提供額外的欠壓參考電流生成器160以向電流反射鏡晶體管104和106提供小的第二參考電流Iref (UV)，但是僅在Vbat〈V(UV) = 2.0V時才啟用。欠壓參考電流生成器160包括用于產(chǎn)生Iref (UV)的電流源185。然而，電流源185非依賴于Vbat或由Vbat供電，而是替代地由Vdc供電。
[0054]常規(guī)設(shè)計的電流源185產(chǎn)生Iref(UV)，其量值相對獨立于其電源電壓Vdc的量值，希望這樣是因為如前述，Vdc可變化。參看，例如，USP 6，737，909(論述了電流源185的電路及其對電源電壓的獨立性)。在電流源185中通過電阻器R(UV)以及通過其各種晶體管的調(diào)整大小來設(shè)定Iref(UV)的量值，而不使用主動生成的控制信號，在低電壓下其可能不可靠。注意到，Iref (UV)通過向電流反射鏡晶體管104和106提供Iref (UV)的晶體管186反射。設(shè)定Iref (UV)以通過電流反射鏡晶體管104和106產(chǎn)生量值較小的Iactive，其不會損壞即使嚴(yán)重耗盡的電池36，例如，為毫安級。如下文進(jìn)一步解釋，優(yōu)選地，Iref(UV)小于Iref。
[0055]如前述，取決于Vbat的量值，向源156提供控制信號UV和/或由逆變器117生成的其互補信號UV*從而以互相排他的方式啟用和停用生成器160和113。
[0056]具體地，向欠壓參考電流生成器160中的啟用晶體管188的柵極提供UV，所述啟用晶體管188僅在Vbat〈V(UV) (UV= ‘ I ’)時才允許通過晶體管186向電流反射鏡晶體管104和106提供Iref (UV)。當(dāng)Vbat>V(UV) (UV=‘0’)時，啟用晶體管188斷開，并且生成器160被停用以不再產(chǎn)生Iref(UV)，因此其被停用以不再對電池充電電流有貢獻(xiàn)。
[0057]向主動控制的參考電流生成器113中的“與”門190提供控制信號UV*連同由源控制器86發(fā)出的充電啟用控制信號Ch_en，因此必須將所有這些控制信號設(shè)定為‘I’以接通啟用晶體管108來允許產(chǎn)生Iref。因此，如果Vbat足夠高(Vbat>V(UV) ;UV=‘0’)且如果源控制器86(最終微控制器100)確認(rèn)生成器113應(yīng)運行，則僅啟用參考電流生成器113。當(dāng)Vbat〈V(UV)(UV=‘I’)時，啟用晶體管108斷開并且停用生成器113以不再產(chǎn)生Iref，因此停用生成器113以不再對電池充電電流有貢獻(xiàn)。
[0058]由群選通￥匕&0則量電路111中的下拉晶體管192，因此當(dāng)￥匕&伏￥(1^)(群=‘1’)時，P通道晶體管114的柵極被拉向‘0’以接通此晶體管。事實上，在此模式中有效地停用放大器112，因為其輸出將由將此輸出拉向接地的晶體管192所遮掩。當(dāng)Vbat>V(UV) (UV = ‘ O ’)時，下拉晶體管192被斷開，并且放大器112可運行以測量Vbat并控制主動充電路徑中的晶體管114以實現(xiàn)從恒定電流充電向恒定電壓充電的轉(zhuǎn)變。
[0059]應(yīng)注意，所公開的用于啟用和停用生成器160和113的電路以及作為Vbat的函數(shù)的測量電路ill僅為示例，并且可使用其它電路。
[0060] 手中有了對改良源電路156的這種解釋，現(xiàn)在可討論并理解其運行。當(dāng)Vbat被嚴(yán)重耗盡時，即，當(dāng)Vbat〈V(UV) =2.0V時，源156通過被動生成的控制信號UV= ‘ I ’啟用欠壓參考電流生成器160以產(chǎn)生不可調(diào)的較小參考電流Iref (UV)，由此生成較小的不可調(diào)充電電流Iactive以對電池36進(jìn)行充電。如前述，在此模式中，停用主動控制的參考電流生成器113和Vbat測量電路111。注意到，在此模式中，在沒有主動生成的控制信號的情況下源156的運行發(fā)生?？刂菩盘朓trim、Vtrim和Ch_en的狀態(tài)是不相干的，因為源156中的接收這些控制信號的電路被有效地停用。
[0061 ] 當(dāng)生成器160已將電池36充電到其不再嚴(yán)重耗盡的程度時，即，當(dāng)Vbat>V(UV)=2.0V(UV=‘0’)時，停用欠壓參考電流生成器160，并且啟用主動控制的參考電流生成器113。因此，可通過以Itrim控制信號調(diào)整Iref來調(diào)整(并且增大)充電電流Iactive，其中給定Vbat的增大，所述I trim控制信號現(xiàn)在能夠被可靠地產(chǎn)生。Vbat測量電路111也被啟用并且是可靠地控制的，因此可以以上文所述的方式運行以使源156從恒定電流充電向恒定電壓充電轉(zhuǎn)變(即，當(dāng)Vbat超過Vt2)。事實上，在此模式中，源156的作用類似于圖2的源56。
[0062]圖5C大體上示出改良充電電路180的運行以產(chǎn)生由嚴(yán)重耗盡電池36(8卩，其中Vbat<V(UV) = 2.0V)接收的電池充電電流Ibat，類似于上文用于現(xiàn)有技術(shù)的圖3B中所示。當(dāng)Vbat<V(UV)時，由源156產(chǎn)生較小的不可調(diào)充電電流(Iactive = M*Iref(UV))。此充電電流不但足夠小以防止對嚴(yán)重耗盡電池36的損壞，而且借由欠壓參考電流生成器160中的電流源185所提供的Iref (UV)的恒定的、不依賴于電源的值而保持恒定。注意到，與現(xiàn)有技術(shù)中所使用的涓流充電路徑的運行相比，為此低值的Vbat提供恒定充電電流是更優(yōu)選的，如前述那樣，在現(xiàn)有技術(shù)中所使用的涓流充電路徑在較低值的Vbat下不想要地產(chǎn)生較高的涓流電流。
[0063]一旦Vbat達(dá)到V(UV) = 2.0并且不再嚴(yán)重耗盡，則啟用主動控制的參考電流生成器113，這是因為給定Vbat的增大可假設(shè)源156的可靠運行及其主動生成的控制信號。然而，注意到，此時電池36仍顯著耗盡(<Vtl = 2.7V)，因此設(shè)定現(xiàn)在啟用的主動控制的參考電流生成器113以根據(jù)Itrim控制信號提供Iref的最大值是不可取的。因此，如示出，優(yōu)選地斷定I trim控制信號以逐漸增大Iref，由此Iacti ve = M*Iref，直到電池36不再顯著耗盡(即，當(dāng)Vbat>Vtl = 2.7V時)為止，此時可通過I trim將Iref設(shè)定為較高或最大限度。然而，由主動控制的參考電流生成器113最終產(chǎn)生的電池充電電流M*Iref優(yōu)選地大于由欠壓參考電流生成器160產(chǎn)生的M*Iref(UV)，即使M*Iref逐漸增大也是如此。如前述，當(dāng)恒定電壓充電開始并繼續(xù)直到對電池36的充電完成時(Vbat = Vmax = 4.2)，恒定電流充電可在這些電平下繼續(xù)，直到Vbat = Vt2 = 4.0。
[0064]由于改良充電電路180不存在用于防止通過前述過電壓開關(guān)60泄漏的二極管54(圖2)，所以可采用其它方法來解決此問題。例如，USP 6，020，778公開了一種用于傳輸門的電路，其可用于包括P通道傳輸晶體管和N通道傳輸晶體管兩者的過電壓開關(guān)60。專利‘778中進(jìn)一步公開了一種電路，其用于將P通道傳輸晶體管的阱偏壓到傳輸門任一側(cè)的最高電壓并且用于將N通道傳輸晶體管的阱偏壓到這些電壓中的較低值。
[0065]盡管公開了通過微控制器100和源控制器86對源156的控制，但是非必須采用這種區(qū)分控制的方法。替代地，用于充電電路iso的控制電路可替代地集成入其它ηω設(shè)計中，例如，位于單個集成電路上。充電電路180本身還可集成有這種控制電路，例如，位于前述ASIC中。
[0066]可結(jié)合上文引用的美國臨時專利申請案61/928，352中所公開的電池充電技術(shù)來使用本發(fā)明所公開的技術(shù)，其中在美國臨時專利申請案61/928,352中所公開的電池充電技術(shù)中，在Hffi的整個壽命中可根據(jù)與電池容量相關(guān)的歷史參數(shù)調(diào)整電池充電電流。
【主權(quán)項】
1.一種用于植入式醫(yī)療設(shè)備的電池充電電路，包含: 可再充電電池，其具有電池電壓并且被配置成接收電池充電電流； 前端電路，其被配置成在接收到無線充電場時生成DC電壓； 欠壓檢測電路，其被配置成指示所述電池電壓是高于還是低于閾值電壓；以及 源電路，其被配置成: 當(dāng)所述欠壓檢測電路指示出電池電壓低于所述閾值電壓時產(chǎn)生作為電池充電電流的第一電池充電電流;以及 當(dāng)所述欠壓檢測電路指示出電池電壓高于所述閾值電壓時產(chǎn)生作為電池充電電流的第二電池充電電流。2.如權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述源電路包含電流反射鏡，其被配置成從參考電流產(chǎn)生所述電池充電電流。3.如權(quán)利要求2所述的電路，其中，所述電流反射鏡由所述DC電壓供電。4.如權(quán)利要求1-3中的任一項所述的電路，其中，所述源電路進(jìn)一步包含第一參考電流生成器和第二參考電流生成器，其中，所述第一參考電流生成器和第二參考電流生成器被配置成互相排他地啟用以提供所述參考電流。5.如權(quán)利要求4所述的電路，其中，當(dāng)所述欠壓檢測電路指示出電池電壓低于所述閾值電壓時啟用所述第一參考電流生成器，并且其中，當(dāng)所述欠壓檢測電路指示出電池電壓高于所述閾值電壓時啟用所述第二參考電流生成器。6.如權(quán)利要求1-5中的任一項所述的電路，其中，所述第一電池充電電流的量值獨立于所述DC電壓的量值。7.如權(quán)利要求1-6中的任一項所述的電路，其中，所述第一電池充電電流的量值是不可調(diào)整的。8.如權(quán)利要求1-7中的任一項所述的電路，其中，所述第二電池充電電流的量值是可根據(jù)一個或多個控制信號調(diào)整的。9.如權(quán)利要求1-8中的任一項所述的電路，其中，所述第一電池充電電流小于所述第二參考電流。10.如權(quán)利要求1-9中的任一項所述的電路，其中，所述前端電路包含:線圈，其被配置成由所述無線充電場激勵；以及，整流器電路，其被配置成從被激勵的線圈產(chǎn)生DC電壓。11.如權(quán)利要求1-10中的任一項所述的電路，其中，所述欠壓檢測電路不受控制信號的控制。12.如權(quán)利要求1-11中的任一項所述的電路，其中，所述欠壓檢測電路向所述源電路發(fā)出欠壓控制信號，其中，所述欠壓控制信號指示所述電池電壓是高于還是低于閾值電壓。13.如權(quán)利要求1-12中的任一項所述的電路，進(jìn)一步包含:開關(guān)，其被配置成將所述電池充電電流傳送到所述電池，其中，所述開關(guān)由電池電壓測量電路控制。14.如權(quán)利要求13所述的電路，其中，所述開關(guān)是可根據(jù)所述電池電壓進(jìn)行控制的。15.如權(quán)利要求1-14中的任一項所述的電路，其中，所述電路在所述DC電壓和所述電池電壓之間不包含被動涓流充電路徑。16.—種用于植入式醫(yī)療設(shè)備的電池充電電路，包含: 可再充電電池，其具有電池電壓并且被配置成接收電池充電電流； 前端電路，其被配置成在接收到無線充電場時生成DC電壓； 欠壓檢測電路，其被配置成指示所述電池電壓是高于還是低于閾值電壓；以及 源電路，其被配置成從參考電流產(chǎn)生所述電池充電電流，所述源電路包含: 第一參考電流生成器，其被配置成當(dāng)所述欠壓檢測電路指示出電池電壓低于所述閾值電壓時產(chǎn)生作為參考電流的第一參考電流;以及 第二參考電流生成器，其被配置成當(dāng)所述欠壓檢測電路指示出電池電壓高于所述閾值電壓時產(chǎn)生作為參考電流的第二參考電流。17.如權(quán)利要求16所述的電路，其中，所述源電路包含電流反射鏡，其被配置成從所述參考電流產(chǎn)生所述電池充電電流。18.如權(quán)利要求17所述的電路，其中，所述電流反射鏡由所述DC電壓供電。19.如權(quán)利要求16-18中的任一項所述的電路，其中，所述第一參考電流生成器由所述DC電壓供電。20.如權(quán)利要求19所述的電路，其中，所述第一參考電流的量值獨立于所述DC電壓的量值。21.如權(quán)利要求16-20中的任一項所述的電路，其中，所述第一參考電流的量值是不可調(diào)整的并且由所述第一參考電流生成器設(shè)定。22.如權(quán)利要求16-21中的任一項所述的電路，其中，所述第二參考電流生成器是由所述電池電壓供電。23.如權(quán)利要求16-22中的任一項所述的電路，其中，所述第二參考電流的量值是可根據(jù)一個或多個控制信號進(jìn)行調(diào)整的。24.如權(quán)利要求16-23中的任一項所述的電路，其中，所述第一參考電流小于所述第二參考電流。25.如權(quán)利要求16-24中的任一項所述的電路，其中，所述前端電路包含:線圈，其被配置成由所述無線充電場激勵；以及，整流器電路，其被配置成從被激勵的線圈產(chǎn)生DC電壓。26.如權(quán)利要求16-25中的任一項所述的電路，其中，所述欠壓檢測電路不受控制信號的控制。27.如權(quán)利要求16-26中的任一項所述的電路，其中，所述欠壓檢測電路向第一參考電流生成器和第二參考電流生成器發(fā)出欠壓控制信號，其中，所述欠壓控制信號指示所述電池電壓是高于還是低于閾值電壓。28.如權(quán)利要求16-27中的任一項所述的電路，進(jìn)一步包含:開關(guān)，其被配置成將所述電池充電電流傳送到所述電池，其中，所述開關(guān)由電池電壓測量電路控制。29.如權(quán)利要求28所述的電路，其中，所述開關(guān)是可根據(jù)所述電池電壓進(jìn)行控制的。30.如權(quán)利要求16-29中的任一項所述的電路，其中，所述電路在所述DC電壓和所述電池電壓之間不包含被動涓流充電路徑。
【文檔編號】A61N1/378GK105916550SQ201580004515
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年1月12日
【發(fā)明人】戈蘭·N·馬恩費爾特, 拉斐爾·克爾布納魯, 喬迪·巴拉蒙
【申請人】波士頓科學(xué)神經(jīng)調(diào)制公司