用于对不具有被动涓流充电的植入式医疗设备中的耗尽电池进行充电的电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种充电电路，其用于接收磁性充电场并使用所接收的充电场对不具有被动涓流充电的植入式医疗设备(IMD)中的电池进行充电，即使电池电压(Vbat)严重耗尽。所述充电电路包括能够通过电流反射镜产生恒定充电电流的源，其中所述电流反射镜接收用于设定充电电流的参考电流。提供两个参考电流生成器：当Vbat严重耗尽时启用第一参考电流生成器以产生较小的不可调参考电流；一旦Vbat恢复则启用第二参考电流生成器以产生可被控制以调整充电电流的参考电流。因为Vbat可能过低，所以第一生成器由从磁性充电场产生的DC电压来供电，使用被动生成的欠压控制信号以在第一和第二生成器的使用之间转换。
【专利说明】用于对不具有被动涓流充电的植入式医疗设备中的耗尽电池进行充电的电路
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2014年I月16日提交的美国临时专利申请案61/928，352和61/928，391的优先权。
技术领域
[0003]本发明涉及植入式医疗设备领域，尤其涉及一种用于植入式医疗设备的电池充电电路。
【背景技术】
[0004]植入式刺激设备将电刺激递送到神经和组织以用于各种生物失常的治疗，例如，用于治疗心律失常的起搏器，用于治疗心脏纤维颤动的去颤器，用于治疗耳聋的耳蜗激励器，用于治疗失明的视网膜激励器，用于产生协调肢体运动的肌肉激励器，用于治疗慢性疼痛的脊髓激励器，用于治疗运动和心理失常的皮质和深脑激励器以及用于治疗尿失禁、睡眠呼吸暂停、肩部半脱位等的其它神经激励器。下文的描述一般将集中于本发明在脊髓刺激(SCS)系统中的使用，例如公开于美国专利6，516，227中。然而，本发明可适用于任何植入式医疗设备或任何植入式医疗设备系统。
[0005]SCS系统通常包括在图1A和IB中以平面图和横截面图示出的植入式脉冲生成器(IPG) 10 ο IPG 10包括生物相容设备外壳30，其容纳有所述IPG运行所必需的电路和电池36。电极16被配置成接触患者的组织并且由柔性体18承载，所述柔性体18还容纳耦合到各个电极16的单个引线20。引线20还耦合到邻面触点22，其可插入固定在IPG 10上的头部28中的引线连接器24，其中所述头部可包含，例如，环氧树脂。一旦插入，邻面触点22就连接到头部触点26，所述头部触点26又通过馈通引脚34经由外壳馈通32耦合到外壳30内的电路。
[0006]在示出的IPG10中，三十二个引线电极(E1-E32)分裂在四个引线14之间，其中头部28含有2x2阵列的引线连接器24。然而，IPG中的引线和电极的数量是应用特定的，因此能够变化。在SCS应用中，电极引线14典型地植入患者脊髓内硬脊膜的附近，并且当使用四引线IPG 10时，这些引线通常在硬脊膜的左右侧中的每一侧分裂两个。邻面电极22隧穿患者组织到达IPG外壳30所植入的远端位置，例如，臀部，在该点处其耦合到引线连接器24。在另一示例中，四引线IPG 10还可用于深脑刺激(DBS)。在设计用于在需要刺激的部位直接植入的其它IPG示例中，IPG可无引线的，而是具有出现在IPG主体上的用于接触患者组织的电极16。
[0007]如图1B的横截面中所示，IPG 10包括:印刷电路板(PCB)40。电耦合到PCB 40的是电池36，在本示例中，电池36是可再充电的；耦合到PCB的顶面和底面的其它电路50a和50b;遥测线圈42，其用于与外部控制器(未示出)无线通信;充电线圈44，其用于从用以对电池36进行再充电的外部充电器90(图2)中无线接收磁性充电场；以及馈通引脚34(连接未示出)。若电池36为永久的且不可再充电，则无需充电线圈44。(可在于2013年9月13日提交的美国专利申请案序列号61/877,871中找到关于线圈42和44及其所通信的外部设备的进一步细节)。
[0008]IPG 10中、尤其其中电池36是可再充电的IPG 10中需要注意一个问题是电池管理电路的设计，其描述于共同拥有的美国专利申请公开案2013/0023943中。图2示出公开案‘943中所公开的电池管理电路84，对其进行了简要地论述。可再充电电池36可包含锂离子聚合物电池，当充满电时，其可提供约4.2伏的电压(Vbat = Vmax)。然而，其它可再充电电池化学也可用于电池36。
[0009]如所述，外部充电器90通常为手持式电池供电设备，其从线圈92生成磁性非数据调制充电场98(例如，80kHz)。在IPG 10中，前端充电电路96与磁场98相遇，此处通过在线圈中感生电流对充电线圈44进行激励。包括整流器且可选地包括滤波电容器和电压-量值限制齐纳二极管(例如，限制为5.5V)的整流器电路46对感生电流进行处理以建立电压Vl(例如，〈5.5V)，将此电压通过防逆流二极管48以生成DC电压Vdc。耦合到充电线圈44的晶体管102可由IPG 10进行控制(通过控制信号LSK)以在磁场98的生成过程中通过负载位移键控(Load Shift Keying)向外部充电器90回传数据，如众所周知的那样。
[0010]如公开案‘943中所论述，向电池管理电路84提供Vdc，电池管理电路84连同IPG 10的运行所必需的其它电路可位于专用集成电路(ASIC)上，其中IPGlO的运行所必需的其它电路包括:电流生成电路(用于向电极16的所选一个(些)提供指定电流)；遥测电路(用于对与图1B的遥测线圈42相关的数据进行调制和解调)；各种测量和生成器电路；系统存储器；等等。前端充电电路96和电池36通常包含:芯片外(ASIC外)组件，连同IPG 10中的其它电子设备，例如遥测线圈42;耦合到电极16的各种DC截断电容器(未示出)；微控制器100，其可通过数字总线88与ASIC(以及电池管理电路84)通信；以及与本文关系不大的其它组件。在一个不例中，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处的数据表中。ASIC可如美国专利申请公开案2012/0095529中所描述。
[0011]图2中的电池管理电路84由两个电路块组成:充电电路80，其用于生成对电池36进行充电的电流；以及负载隔离电路82，其用于将电池36可控地连接到在IPG 10的正常运行过程中电池36所供电的负载75或与其断开。负载75可包含芯片内(ASIC内)电路块(例如电流生成电路和前述的遥测电路43)和芯片外(ASIC外)组件(例如微控制器100)两者。
[0012]如所描绘，充电电路80、负载隔离电路82和电池36通常具有T形拓扑，其中充电电路80介于前端充电电路96(Vdc)和电池36的正极端子(Vbat)之间，并且负载隔离电路82介于Vbat和负载75之间。
[0013]如公开案’943中所论述，取决于若干条件，负载隔离电路82能够防止电池36(Vbat)向负载(Vload)供电。例如，若负载75正引出相当高的电流(如由过电流检测电路74通过断定控制信号01来指示的那样)，或者若Vbat过低(如由欠压检测电路70通过断定控制信号UV来指示的那样)，或者若舌簧开关78指示外部磁场信号μ(例如，在由患者许可外部关机磁铁的存在的紧急情况下)，负载75将通过开关62或64从Vbat去耦合，如由“或”门76辅助。在上文参考的公开案‘943中更详细地论述了负载隔离电路82。若Vbat过高，则还提供放电电路68以故意地消耗电池36。
[0014]与本公开内容更为相关的是充电电路80，其开始于Vdc，即前端充电电路96响应于外部充电器90的磁场98而生成的DC电压。Vdc分成并联连接在Vdc和Vbat之间的的充电电路80中的两个路径:涓流充电(trickle charging)路径和主动充电(active charging)路径，其任一者可用于向电池36(Vbat)提供电池充电电流(Ibat)。
[0015]涓流充电路径是被动的，S卩，其运行不受控制信号的控制，并且除了由Vdc所提供的生成用于电池36的充电电流(Itrickle)的功率之外无需其它功率。如所示，涓流充电路径向限流电阻器50和一个或多个二极管52呈现Vdc，并且用于向电池36提供小充电电流I tr i ckI e。当电池36显著耗尽时，S卩，若Vbat低于阈值Vt I，例如2.7V，使用小涓流充电电流尤其有效。
[0016]为了生成Itrickle，Vdc必须高于电阻器50和二极管52上的电压降与电池36的电压Vbat之和。在典型条件下并且假设使用三个二极管52和一个200欧姆电阻器50，电阻器50和二极管52上的电压降将为约2.0伏。因此，若Vdc大于约2.0V+Vbat，则Itrickle将被动地流入电池36。若不满足此条件——其指示Vdc太小(或许因为外部充电器90和IPG 10之间的耦合较差)，或Vbat太高(其可当电池36被逐渐充电时出现)——二极管52将防止电池36通过涓流充电路径反向消耗。Itrickle通常为大约10毫安。此为令人满意地小，这是因为若接收到太高的充电电流(Ibat)，则显著耗尽的可再充电电池36可能被损坏，如我们所熟知。
[0017]在图2中，主动充电路径从Vdc经由电流/电压源56前进到电池36，其中电流/电压源56用于产生充电电流Iactive。在图2的示例中，主动充电路径还经过用于电池管理电路84的控制和保护量具，包括结合充电电流检测器72使用的充电电流感测电阻器58，以及结合过压检测器66使用的过压保护开关60，以在电池电压Vbat超出最大值(例如Vmax = 4.2V)时将主动充电路径断路。
[0018]图3A示出用于主动充电路径中的电流/电压源56的电路。如其名称所暗示，源56可被控制以在主动充电过程中向电池36提供恒定电流或恒定电压。源56包含由P通道晶体管104和106组成的电流反射镜，其由Vdc供电并接收由参考电流生成器电路113提供的参考电流Iref。电流反射镜控制晶体管104在电流反射镜输出晶体管106中反射Iref的表示以产生主动充电电流Iactive。在所示出的示例中，并联有线连接M个输出晶体管106，因此输出晶体管106所提供的电流等于Iactive =M*Iref。还可使用单个更宽的输出晶体管106 (比电流反射镜控制晶体管104宽M倍)。
[0019]可通过一个或多个控制信号Itrim[2:0]来调整用于产生Iref的参考电流生成器113，并且参考电流生成器113还包含电流反射镜。如示出，将系统参考电流I’(例如，I OOnA)反射到晶体管116、118和120，其各自串联耦合到由Itrim控制信号所控制的选通晶体管。晶体管116、118和120优选为不同的宽度，或包含不同数量的并联晶体管，以提供对Iref的不同贡献。例如，取决于1壮加0、1壮加1和1壮11112中的哪个控制信号是有效的，晶体管116、118和120可向Iref分别贡献I’*N、I’*2N和I’*4N，因此允许Iref以增量I’*N从I’*N变化到I’*7N。可使用额外的Itrim控制信号和额外的电流反射镜输出晶体管(例如，116-120)在更宽的范围内和/或以更小的分辨度控制Iref。以此方式调整Iref继而通过上述电流反射镜晶体管104和106的运行来调整Iactive。
[0020]由源控制器86发出控制信号Itrim，其中源控制器86通过数字总线88与微控制器100通信，因此微控制器100可控制源控制器86以继而通过Itrim和下文将进一步讨论的其它控制信号来对源56进行控制。
[0021]源56运行以生成充电电流所在的模式取决于微控制器100所知的电池电压Vbat的量值。若电池36显著放空，即，Vbat〈Vtl (例如，2.7)，则微控制器100命令源控制器86停用源56。此通过源控制器86向参考电流生成器113发出充电启用控制信号Ch_en=‘0’而发生，其中充电启用控制信号Ch_en=‘0’关闭N通道晶体管108并停用参考电流Iref的生成，由此停用Iactive的生成。因此，在这种情况下，电池36可仅通过涓流充电路径进行充电，并且只有当磁场98和Vdc存在并且充足时。
[0022]若￥匕&0￥^但是低于下文将进一步描述的上阈值￥七2(即，若￥七1〈￥匕&七〈￥七2)，则源56以恒定电流模式运行。在此模式中，Ch_en= ‘ I ’，并且晶体管108允许Iref由此允许Iactive以由Itrim控制信号最终设定的量值流动。当源56以恒定电流模式运行时，Iactive通常为大约50毫安。主动电流路径中的P通道晶体管开关114在恒定电流模式中完全接通，因此允许Iacti ve无阻抗地从源56流至电池36。
[0023]若Vbat>Vt2(例如，4.0V)，则源56以恒定电压模式运行。在此模式中，仍断定Ch_en和Itrim控制信号。在本示例中，Vt2阈值的越过和充电模式的切换不依赖于微控制器100，而是受到源56中的Vbat测量电路111的影响。在此电路111中通过高阻抗电阻器梯确定Vbat，其中高阻抗电阻器梯产生指示Vbat的电压Va。在放大器112中对Va和已知的带隙参考电压Vref进行比较。当VaXVref时，指示Vbat>Vt2，放大器112开始断开晶体管114，并且源56以恒定电压模式运行，向电池36的正端子提供基本上恒定电压。在此模式中，当电池36的内部电池电压增大时，其内部电阻导致Iactive按指数规律下降，直到Vbat达到最大值Vmax(例如，4.2V)。此时，微控制器100将认为对电池36的充电完成，并且将再次断定Ch_en=‘0’以进一步削减主动充电O (此外，也可断开过电压开关60)。相反，当Va〈Vref，指示Vbat〈Vt2时，放大器112导通P通道晶体管114，并且，源56以恒定电流模式运行，如前述那样。视需要，可使用控制信号Vtrim来微调电压Va以对本质上设定阈值Vt2的梯中的电阻进行微调。
[0024]图3B大体上示出充电电路80的运行以在充电会期(charging sess1n)作为时间的函数产生由严重耗尽电池36 (S卩，其中Vbat低于更低的阈值V(UV) = 2.0V)所接收的充电电流(Ibat)，包括如前述由充电电路80启用的涓流、恒定电流和恒定电压模式。还示出这些模式中的每一个的充电电流的典型值，以及作为百分数不出的电池36的容量。
[0025]图2的电池管理电路84提供额外的保护，如公开案‘943中所论述。例如，优选地，将在数量上与二极管52匹配的二极管54连接在涓流充电路径和主动充电路径之间，其确保过电压开关60的源极和漏极偏压到相同的电压，S卩Vbat，即使在Vbat较低时也是如此。因此，二极管54通过过电压开关60保护电池36不被非故意地放电，尤其在当Vbat已严重较低时的、以及在因此可能难以向P通道晶体管60的栅极提供适当高的电压以使其断开时的不适当时间处。
[0026]低电平的￥&&丨的问题重大。若￥&&丨严重耗尽，8卩，例如，若￥&&丨〈￥(1^)〈2.0￥，则难以通过传统的涓流充电技术来恢复(再充电)电池36。这是因为，如上文所提及，可再充电电池不能在不损坏的情况下处理较大的充电电流，并且当Vbat〈V(UV)时，如由涓流充电路径中的组件(50，52)的电阻R被动地设置的那样，Itrickle可能太大。实际上，本发明人注意到，公开案‘ 943的涓流充电路径加剧了此问题:尽管I tri ckle的量值应与Vbat的量值理想地成比例(即，Itrickle随着Vbat的减小而减小)以防止电池损坏，但是可出现此理想的反面。这是因为I trickle = (Vdc-Vbat)/R，因此I tri ckle随着Vbat的减小而增大，如图313所示。Itrickle的这种行为与对严重耗尽电池进行安全地再充电所希望的相反。
[0027]此外，在任何情况下均难以控制Itrickle的量值，这是因为其随Vdc的变化而变化。Vdc根据外部充电器90中的充电线圈92与IPG 10中的充电线圈44之间的耦合而变化，该耦合受到线圈之间的距离、轴向偏移和角偏移的影响。参看，例如，美国专利申请公开案2013/0096651。因为不同患者具有以不同的深度和角度植入的IPG，所以Vdc在患者之间将不同；例如，具有较浅(良好耦合)植入的患者将比具有较深(不良耦合)植入的患者寄存更高的Vdc。此外，对于给定的患者，Vdc也会不时地变化，因为该患者在不同的充电会期不会总是将外部充电器90定位在相对于IPG 10的完全相同的地方，或者因为在充电会期此定位可能移位。这些影响中的任何一个均可导致Vdc发生变化，典型地从2.5到5.5V。这种Vdc变化意味着在一种情况下Itrickle可能太低而不显著，或者下另一种情况下太高，加剧电池可靠性问题。
[0028]因此，本发明人注意到使用被动涓流充电对植入式医疗设备的电池进行充电的问题，尤其在低电池电压下，并且提供了新的技术。
【发明内容】
[0029]本发明公开了一种用于植入式医疗设备的电池充电电路，在一个示例中，其包含:可再充电电池，其具有电池电压并且被配置成接收电池充电电流;前端电路，其被配置成在接收到无线充电场时生成DC电压;欠压检测电路，其被配置成指示所述电池电压是高于还是低于阈值电压；以及，源电路，其被配置成当所述欠压检测电路指示电池电压低于所述阈值电压时产生作为电池充电电流的第一电池充电电流，并且当所述欠压检测电路指示电池电压高于所述阈值电压时产生作为电池充电电流的第二电池充电电流。
[0030]所述源电路可包含电流反射镜，其被配置成从参考电流产生所述电池充电电流并且可由所述DC电压供电。所述电路可进一步包含第一参考电流生成器和第二参考电流生成器，其中所述第一和第二参考电流生成器被配置成互相排他地启用以提供所述参考电流。当所述欠压检测电路指示电池电压低于所述阈值电压时，可启用所述第一参考电流生成器，而当所述欠压检测电路指示电池电压高于所述阈值电压时可启用所述第二参考电流生成器。
[0031]第一电池充电电流的量值可独立于DC电压的量值，其还可为可调整的。第二电池充电电流的量值是可根据一个或多个控制信号进行调整的。所述第一电池充电电流小于所述第二参考电流。
[0032]在另一示例中，一种用于植入式医疗设备的电池充电电路包含:可再充电电池，其具有电池电压并且被配置成接收电池充电电流;前端电路，其被配置成在接收到无线充电场时生成DC电压;欠压检测电路，其被配置成指示所述电池电压是高于还是低于阈值电压；以及源电路，其被配置成从参考电流产生所述电池充电电流，其中所述源电路包含:第一参考电流生成器，其被配置成当所述欠压检测电路指示电池电压低于所述阈值电压时产生作为参考电流的第一参考电流；以及，第二参考电流生成器，其被配置成当所述欠压检测电路指示电池电压高于所述阈值电压时产生作为参考电流的第二参考电流。
[0033]所述源电路可包含电流反射镜，其被配置成从所述参考电流产生所述电池充电电流并且可由所述DC电压供电。所述第一参考电流生成器可由所述DC电压供电，并且所述第一参考电流的量值可独立于DC电压的量值。优选地，所述第一参考电流的量值是不可调整的并且由所述第一参考电流生成器设定。所述第二参考电流生成器是由所述电池电压供电，并且所述第二参考电流的量值是可根据一个或多个控制信号进行调整的。所述第一参考电流可小于所述第二参考电流。
[0034]所述前端电路可包含:线圈，其被配置成由所述无线充电场激励；以及，整流器电路，其被配置成从被激励的线圈产生DC电压。
[0035]所述欠压检测电路不受控制信号的控制，并且可向所述源电路发出欠压控制信号，其中所述欠压控制信号指示所述电池电压是高于还是低于阈值电压。
[0036]所述电路可进一步包含:开关，其被配置成将所述电池充电电流传送到所述电池，其中所述开关由电池电压测量电路(并且由此的根据电池电压)来控制。
[0037]优选地，所公开的电路在所述DC电压和所述电池电压之间不包含被动涓流充电路径。
【附图说明】
[0038]图1A和IB以平面图和横截面图示出根据现有技术的具有可再充电电池的植入式脉冲生成器(IPG);
[0039]图2示出根据现有技术的用于IPG的电池管理电路，其包括涓流充电路径和主动充电路径两者；
[0040]图3A示出根据现有技术的用于主动电流路径中的电流/电压源的电路，而图3B以时间的函数示出由涓流充电路径和主动充电路径两者提供的电池充电电流的图示；
[0041]图4示出改良电池管理电路，尤其不包括涓流充电路径、但是包括主动充电路径中的改良源电路的改良充电电路；
[0042]图5A示出供改良源电路使用的用于监测欠压条件的电路；
[0043]图5B示出根据本发明的一个方面的改良源电路，包括:在欠压条件期间由Vdc供电的欠压参考电流生成器，其允许生成较小的稳定充电电流；以及在未断定欠压条件时由Vbat供电的参考电流生成器，其允许根据控制信号生成充电电流；
[0044]图5C示出根据本发明的一个方面的使用改良充电电路提供的作为时间的函数的电池充电电流的图示。
【具体实施方式】
[0045]本发明公开了一种用于对例如IPG等植入式医疗设备(IMD)中的电池进行充电的改良充电电路。所述充电电路包括源，其能够通过电流反射镜产生恒定充电电流，其中所述电流反射镜接收用于设定充电电流的参考电流。提供两个参考电流生成器。第一参考电流生成器由Vdc供电(由前端电路在接收到磁性充电场时产生的电压)，并且在Vbat被严重耗尽时被启用以产生较小的不可调参考电流，其具有独立于Vdc电源的稳定量值。此允许电流反射镜产生较小的充电电流，其亦独立于Vdc并且考虑到电池的耗尽状态，即使Vbat的低值太低以致于通常不能可靠地控制充电电路也是如此。一旦电池电压适当恢复，则启用所述第二参考电流生成器以产生参考电流。可通过控制信号来调整由第二参考电流生成器产生的参考电流的量值、以及由此的所得的充电电流的量值，其中若Vbat升高，则所述控制信号现在是可靠的。使用被动生成的欠压控制信号来启用和停用第一和第二参考电流生成器的使用。通过使用此改良充电电路，可对电池进行充电，而无需被动涓流充电路径，即使电池严重耗尽也是如此。
[0046]如所述，本发明人注意到与如图2的现有技术中所使用的被动涓流充电电路相关的问题。给定对电流/电压源56进行编程的能力(通过Itrim控制信号)以设定主动充电路径中的Iactive的量值，本发明人认为，当电池36显著耗尽(例如，低于Vtl = 2.7V)时，简单地从充电电路80去除涓流充电路径并且对源56进行编程以提供显著更小的充电电流。事实上，此包含启用源56以在这些较低电压下为Vbat运行，从而提供通常模仿由Itrickle提供的充电电流量值(例如，10_安)的较小充电电流。
[0047]然而，现有技术的主动充电路径中使用的充电电路80在低电平的Vbat下可能不能良好运行，尤其若电池36严重耗尽(Vbat〈V( UV ) = 2.0)时。这是因为Vbat通常还向充电电路80提供电源。例如，并且如图3A所示，Vbat测量电路111中的放大器112由Vbat供电。参考电流生成器113最终也依靠Vbat并且由Vbat供电，尤其是因为系统参考电流I’是使用Vbat来生成。控制信号(Itrim、Vtrim、Ch_en)也依赖于Vbat，因为微处理器110和源控制器86也是由Vbat供电。因此，在Vbat被严重耗尽时，源56中的模拟电路和数字控制信号可能不能可靠地运行。此妨碍了源56在这些较低电池电压下的使用以提供所需的较小充电电流。
[0048]图4示出用于例如IPG10等的具有可再充电电池36的植入式医疗设备的改良充电电路180。如图4中所描绘的电池管理电路84中的许多组件与上文所论述的且示于图2的公开案‘943相同，因此不再描述。例如，负载隔离电路82可保持不变，并且如前述运行。为易于观察，在图4中去除了一些组件(外部充电器90、前端充电电路96)。
[0049]改良充电电路180中存在若干差异。首先，不存在涓流充电路径，并且主动充电路径包括改良电流/电压源电路156，其排他地使用以对电池36进行充电，即使当电池严重耗尽时也是如此。应注意，涓流充电路径的去除简化了充电电路180，包括先前连接在涓流充电路径和主动充电路径之间的二极管54(图2)的去除。尽管去除涓流充电路径可优选地去除上文识别出的问题，但是其仍可用于充电电路180，但是或许被被动地设置(由电阻器50、二极管52;图2)以提供毫安级的极小电流，从而仅确保不会损坏电池36得极小ItrickleAP使Vbat被严重耗尽到接近零伏特的电平也是如此。
[0050]其次，源156接收欠压控制信号UV作为输入。为方便起见，此控制信号UV可与欠压检测电路70发出的控制信号相同，后者用于通过如前述的负载隔离电路82中的开关62和64来控制电池36与负载75的连接。然而，可将控制信号UV从不同的欠压检测器(未示出)供应至IJ源156，或许设置为在与压检测器70不同的阈值电压(V(UV) =2.0V)处触发。
[0051]图5A示出如公开案‘943中所公开的用于欠压检测器70的电路。注意到，欠压检测器70不接收控制信号并且不受控制信号的控制，因此被动输出控制信号UV，这是优选的，因为当控制信号不可信赖时，此电路必须在低电平的Vbat下可靠地工作。当Vbat>V(UV) =2.0V时，由二极管170和电阻器172形成的分压器在N通道晶体管176的栅极处形成适当高的电压以将其接通，其将UV拉向‘O’。与此相反，当Vbat〈V(UV) = 2.0V时，晶体管176的栅极处的电压非足够高地接通该晶体管。因此，通过上拉电阻174将UV拉向‘I’(即，拉向Vbat)。电阻器172和174均处于几十兆欧的范围内。因此，二极管170(及其数量)和电阻器172上的正向压降可有效地运行以设定阈值V(UV)的值。尽管未示出，但是控制信号UV可在欠压检测器70的输出处被缓冲以改良其完整性。
[0052]图5B示出电流/电压源电路156的变化。主动控制的参考电流生成器113大部分保持如上文关于图2所描述，并且同样由控制信号Itrim控制以调整Iref，并由此调整Iactive。然而，如下文进一步解释，仅当Vbat>V(UV) = 2.0V时才启用主动控制的参考电流生成器113并用于向电流反射镜晶体管104提供Iref。这是希望的在当给定由Vbat供电的主动控制的参考电流生成器113(尤其如系统参考电流I’所反映的那样)以及及其对Vbat的通常依赖(如对由Vbat最终生成的I trim控制信号的信赖性所反映)时，其可导致生成器113在低电平的Vbat下不可靠地的允许。注意到，增加了“与”门190以控制参考电流启用晶体管108的栅极，如下文将进一步解释。
[0053]在源156中新提供额外的欠压参考电流生成器160以向电流反射镜晶体管104和106提供小的第二参考电流Iref (UV)，但是仅在Vbat〈V(UV) = 2.0V时才启用。欠压参考电流生成器160包括用于产生Iref (UV)的电流源185。然而，电流源185非依赖于Vbat或由Vbat供电，而是替代地由Vdc供电。
[0054]常规设计的电流源185产生Iref(UV)，其量值相对独立于其电源电压Vdc的量值，希望这样是因为如前述，Vdc可变化。参看，例如，USP 6，737，909(论述了电流源185的电路及其对电源电压的独立性)。在电流源185中通过电阻器R(UV)以及通过其各种晶体管的调整大小来设定Iref(UV)的量值，而不使用主动生成的控制信号，在低电压下其可能不可靠。注意到，Iref (UV)通过向电流反射镜晶体管104和106提供Iref (UV)的晶体管186反射。设定Iref (UV)以通过电流反射镜晶体管104和106产生量值较小的Iactive，其不会损坏即使严重耗尽的电池36，例如，为毫安级。如下文进一步解释，优选地，Iref(UV)小于Iref。
[0055]如前述，取决于Vbat的量值，向源156提供控制信号UV和/或由逆变器117生成的其互补信号UV*从而以互相排他的方式启用和停用生成器160和113。
[0056]具体地，向欠压参考电流生成器160中的启用晶体管188的栅极提供UV，所述启用晶体管188仅在Vbat〈V(UV) (UV= ‘ I ’)时才允许通过晶体管186向电流反射镜晶体管104和106提供Iref (UV)。当Vbat>V(UV) (UV=‘0’)时，启用晶体管188断开，并且生成器160被停用以不再产生Iref(UV)，因此其被停用以不再对电池充电电流有贡献。
[0057]向主动控制的参考电流生成器113中的“与”门190提供控制信号UV*连同由源控制器86发出的充电启用控制信号Ch_en，因此必须将所有这些控制信号设定为‘I’以接通启用晶体管108来允许产生Iref。因此，如果Vbat足够高(Vbat>V(UV) ;UV=‘0’)且如果源控制器86(最终微控制器100)确认生成器113应运行，则仅启用参考电流生成器113。当Vbat〈V(UV)(UV=‘I’)时，启用晶体管108断开并且停用生成器113以不再产生Iref，因此停用生成器113以不再对电池充电电流有贡献。
[0058]由群选通￥匕&0则量电路111中的下拉晶体管192，因此当￥匕&伏￥(1^)(群=‘1’)时，P通道晶体管114的栅极被拉向‘0’以接通此晶体管。事实上，在此模式中有效地停用放大器112，因为其输出将由将此输出拉向接地的晶体管192所遮掩。当Vbat>V(UV) (UV = ‘ O ’)时，下拉晶体管192被断开，并且放大器112可运行以测量Vbat并控制主动充电路径中的晶体管114以实现从恒定电流充电向恒定电压充电的转变。
[0059]应注意，所公开的用于启用和停用生成器160和113的电路以及作为Vbat的函数的测量电路ill仅为示例，并且可使用其它电路。
[0060] 手中有了对改良源电路156的这种解释，现在可讨论并理解其运行。当Vbat被严重耗尽时，即，当Vbat〈V(UV) =2.0V时，源156通过被动生成的控制信号UV= ‘ I ’启用欠压参考电流生成器160以产生不可调的较小参考电流Iref (UV)，由此生成较小的不可调充电电流Iactive以对电池36进行充电。如前述，在此模式中，停用主动控制的参考电流生成器113和Vbat测量电路111。注意到，在此模式中，在没有主动生成的控制信号的情况下源156的运行发生。控制信号Itrim、Vtrim和Ch_en的状态是不相干的，因为源156中的接收这些控制信号的电路被有效地停用。
[0061 ] 当生成器160已将电池36充电到其不再严重耗尽的程度时，即，当Vbat>V(UV)=2.0V(UV=‘0’)时，停用欠压参考电流生成器160，并且启用主动控制的参考电流生成器113。因此，可通过以Itrim控制信号调整Iref来调整(并且增大)充电电流Iactive，其中给定Vbat的增大，所述I trim控制信号现在能够被可靠地产生。Vbat测量电路111也被启用并且是可靠地控制的，因此可以以上文所述的方式运行以使源156从恒定电流充电向恒定电压充电转变(即，当Vbat超过Vt2)。事实上，在此模式中，源156的作用类似于图2的源56。
[0062]图5C大体上示出改良充电电路180的运行以产生由严重耗尽电池36(8卩，其中Vbat<V(UV) = 2.0V)接收的电池充电电流Ibat，类似于上文用于现有技术的图3B中所示。当Vbat<V(UV)时，由源156产生较小的不可调充电电流(Iactive = M*Iref(UV))。此充电电流不但足够小以防止对严重耗尽电池36的损坏，而且借由欠压参考电流生成器160中的电流源185所提供的Iref (UV)的恒定的、不依赖于电源的值而保持恒定。注意到，与现有技术中所使用的涓流充电路径的运行相比，为此低值的Vbat提供恒定充电电流是更优选的，如前述那样，在现有技术中所使用的涓流充电路径在较低值的Vbat下不想要地产生较高的涓流电流。
[0063]一旦Vbat达到V(UV) = 2.0并且不再严重耗尽，则启用主动控制的参考电流生成器113，这是因为给定Vbat的增大可假设源156的可靠运行及其主动生成的控制信号。然而，注意到，此时电池36仍显著耗尽(<Vtl = 2.7V)，因此设定现在启用的主动控制的参考电流生成器113以根据Itrim控制信号提供Iref的最大值是不可取的。因此，如示出，优选地断定I trim控制信号以逐渐增大Iref，由此Iacti ve = M*Iref，直到电池36不再显著耗尽(即，当Vbat>Vtl = 2.7V时)为止，此时可通过I trim将Iref设定为较高或最大限度。然而，由主动控制的参考电流生成器113最终产生的电池充电电流M*Iref优选地大于由欠压参考电流生成器160产生的M*Iref(UV)，即使M*Iref逐渐增大也是如此。如前述，当恒定电压充电开始并继续直到对电池36的充电完成时(Vbat = Vmax = 4.2)，恒定电流充电可在这些电平下继续，直到Vbat = Vt2 = 4.0。
[0064]由于改良充电电路180不存在用于防止通过前述过电压开关60泄漏的二极管54(图2)，所以可采用其它方法来解决此问题。例如，USP 6，020，778公开了一种用于传输门的电路，其可用于包括P通道传输晶体管和N通道传输晶体管两者的过电压开关60。专利‘778中进一步公开了一种电路，其用于将P通道传输晶体管的阱偏压到传输门任一侧的最高电压并且用于将N通道传输晶体管的阱偏压到这些电压中的较低值。
[0065]尽管公开了通过微控制器100和源控制器86对源156的控制，但是非必须采用这种区分控制的方法。替代地，用于充电电路iso的控制电路可替代地集成入其它ηω设计中，例如，位于单个集成电路上。充电电路180本身还可集成有这种控制电路，例如，位于前述ASIC中。
[0066]可结合上文引用的美国临时专利申请案61/928，352中所公开的电池充电技术来使用本发明所公开的技术，其中在美国临时专利申请案61/928,352中所公开的电池充电技术中，在Hffi的整个寿命中可根据与电池容量相关的历史参数调整电池充电电流。
【主权项】
1.一种用于植入式医疗设备的电池充电电路，包含: 可再充电电池，其具有电池电压并且被配置成接收电池充电电流； 前端电路，其被配置成在接收到无线充电场时生成DC电压； 欠压检测电路，其被配置成指示所述电池电压是高于还是低于阈值电压；以及 源电路，其被配置成: 当所述欠压检测电路指示出电池电压低于所述阈值电压时产生作为电池充电电流的第一电池充电电流;以及 当所述欠压检测电路指示出电池电压高于所述阈值电压时产生作为电池充电电流的第二电池充电电流。2.如权利要求1所述的电路，其中，所述源电路包含电流反射镜，其被配置成从参考电流产生所述电池充电电流。3.如权利要求2所述的电路，其中，所述电流反射镜由所述DC电压供电。4.如权利要求1-3中的任一项所述的电路，其中，所述源电路进一步包含第一参考电流生成器和第二参考电流生成器，其中，所述第一参考电流生成器和第二参考电流生成器被配置成互相排他地启用以提供所述参考电流。5.如权利要求4所述的电路，其中，当所述欠压检测电路指示出电池电压低于所述阈值电压时启用所述第一参考电流生成器，并且其中，当所述欠压检测电路指示出电池电压高于所述阈值电压时启用所述第二参考电流生成器。6.如权利要求1-5中的任一项所述的电路，其中，所述第一电池充电电流的量值独立于所述DC电压的量值。7.如权利要求1-6中的任一项所述的电路，其中，所述第一电池充电电流的量值是不可调整的。8.如权利要求1-7中的任一项所述的电路，其中，所述第二电池充电电流的量值是可根据一个或多个控制信号调整的。9.如权利要求1-8中的任一项所述的电路，其中，所述第一电池充电电流小于所述第二参考电流。10.如权利要求1-9中的任一项所述的电路，其中，所述前端电路包含:线圈，其被配置成由所述无线充电场激励；以及，整流器电路，其被配置成从被激励的线圈产生DC电压。11.如权利要求1-10中的任一项所述的电路，其中，所述欠压检测电路不受控制信号的控制。12.如权利要求1-11中的任一项所述的电路，其中，所述欠压检测电路向所述源电路发出欠压控制信号，其中，所述欠压控制信号指示所述电池电压是高于还是低于阈值电压。13.如权利要求1-12中的任一项所述的电路，进一步包含:开关，其被配置成将所述电池充电电流传送到所述电池，其中，所述开关由电池电压测量电路控制。14.如权利要求13所述的电路，其中，所述开关是可根据所述电池电压进行控制的。15.如权利要求1-14中的任一项所述的电路，其中，所述电路在所述DC电压和所述电池电压之间不包含被动涓流充电路径。16.—种用于植入式医疗设备的电池充电电路，包含: 可再充电电池，其具有电池电压并且被配置成接收电池充电电流； 前端电路，其被配置成在接收到无线充电场时生成DC电压； 欠压检测电路，其被配置成指示所述电池电压是高于还是低于阈值电压；以及 源电路，其被配置成从参考电流产生所述电池充电电流，所述源电路包含: 第一参考电流生成器，其被配置成当所述欠压检测电路指示出电池电压低于所述阈值电压时产生作为参考电流的第一参考电流;以及 第二参考电流生成器，其被配置成当所述欠压检测电路指示出电池电压高于所述阈值电压时产生作为参考电流的第二参考电流。17.如权利要求16所述的电路，其中，所述源电路包含电流反射镜，其被配置成从所述参考电流产生所述电池充电电流。18.如权利要求17所述的电路，其中，所述电流反射镜由所述DC电压供电。19.如权利要求16-18中的任一项所述的电路，其中，所述第一参考电流生成器由所述DC电压供电。20.如权利要求19所述的电路，其中，所述第一参考电流的量值独立于所述DC电压的量值。21.如权利要求16-20中的任一项所述的电路，其中，所述第一参考电流的量值是不可调整的并且由所述第一参考电流生成器设定。22.如权利要求16-21中的任一项所述的电路，其中，所述第二参考电流生成器是由所述电池电压供电。23.如权利要求16-22中的任一项所述的电路，其中，所述第二参考电流的量值是可根据一个或多个控制信号进行调整的。24.如权利要求16-23中的任一项所述的电路，其中，所述第一参考电流小于所述第二参考电流。25.如权利要求16-24中的任一项所述的电路，其中，所述前端电路包含:线圈，其被配置成由所述无线充电场激励；以及，整流器电路，其被配置成从被激励的线圈产生DC电压。26.如权利要求16-25中的任一项所述的电路，其中，所述欠压检测电路不受控制信号的控制。27.如权利要求16-26中的任一项所述的电路，其中，所述欠压检测电路向第一参考电流生成器和第二参考电流生成器发出欠压控制信号，其中，所述欠压控制信号指示所述电池电压是高于还是低于阈值电压。28.如权利要求16-27中的任一项所述的电路，进一步包含:开关，其被配置成将所述电池充电电流传送到所述电池，其中，所述开关由电池电压测量电路控制。29.如权利要求28所述的电路，其中，所述开关是可根据所述电池电压进行控制的。30.如权利要求16-29中的任一项所述的电路，其中，所述电路在所述DC电压和所述电池电压之间不包含被动涓流充电路径。
【文档编号】A61N1/378GK105916550SQ201580004515
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年1月12日
【发明人】戈兰·N·马恩费尔特, 拉斐尔·克尔布纳鲁, 乔迪·巴拉蒙
【申请人】波士顿科学神经调制公司