CN109661253A - 用于电药应用的双向开关调节器 - Google Patents

Abstract

在某些方面，一种用于提供电刺激的方法包括从电池向电极转移能量以对电极充电，以及在电极被充电之后，从电极向电池转移能量以使电池放电。从电极转移到电池的能量可以包括从电池转移到电极的能量的一部分。

Description

用于电药应用的双向开关调节器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年9月9日在美国专利商标局提交的非临时申请No.15/261,695的优先权和权益，其全部内容如同其全部内容在下面完全阐述一样并且出于所有适用的目的而通过引用并入本文。

技术领域

本公开的各方面一般地涉及开关调节器，并且更具体地涉及用于电药应用的双向开关调节器。

背景技术

电药(electroceutical)装置可以被植入患者体内并且对患者的神经提供电刺激以治疗患者的疾病和/或病症。在这方面，该装置(也被称为神经植入物或植入装置)可以包括电极，该电极被充电以向神经提供电刺激。

发明内容

以下呈现一个或多个实施例的简要概述，以便提供对这些实施例的基本理解。该概述不是所有预期实施例的广泛概述，并且既不旨在标识所有实施例的关键或重要要素，也不旨在界定任何或所有实施例的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现一个或多个实施例的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

第一方面涉及一种装置。该装置包括电池、电极和开关调节器，开关调节器具有耦合到电池的第一端子和耦合到电极的第二端子。该装置还包括被配置为操作开关调节器以将电极充电和放电的控制器，其中为了对电极充电，控制器操作开关调节器以从电池向电极转移能量，并且为了使电极放电，控制器操作开关调节器以从电极向电池转移能量。

第二方面涉及一种用于提供电刺激的方法。该方法包括从电池向电极转移能量以对电极充电，以及在电极被充电之后，从电极向电池转移能量以使电极放电。

第三方面涉及一种用于提供电刺激的设备。该设备包括用于从电池向电极转移能量以对电极充电的装置以及用于在电极被充电之后从电极向电池转移能量以使电极放电的装置。

为了实现前述和相关目的，一个或多个实施例包括在下文中被充分描述并且在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了一个或多个实施例的某些说明性方面。然而，这些方面仅指示可以采用各种实施例的原理的各种方式中的一些，并且所描述的实施例旨在包括所有这些方面及其等同物。

附图说明

图1示出了电药装置的示例。

图2示出了根据本公开的某些方面的包括双向开关调节器的示例性电药装置。

图3A示出了根据本公开的某些方面的在电极充电期间的开关调节器的示例性输出电压。

图3B示出了在电极充电期间的固定电池电压的示例。

图4示出了根据本公开的某些方面的在电刺激操作期间的电极的电压。

图5示出了根据本公开的某些方面的包括双向开关调节器的电药装置的另一示例。

图6是说明根据本公开的某些方面的滞后反馈控制的示例的时序图。

图7示出了根据本公开的某些方面的包括无线充电线圈的电药装置的示例。

图8示出了根据本公开的某些方面的用于无线充电线圈的接口电路的示例性实现。

图9示出了根据本公开的某些方面的包括用于调节流入和流出电池的电流的电流源的电药装置的示例。

图10是示出根据本公开的某些方面的用于提供电刺激的方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而非旨在表示可以实践本文中描述的概念的仅有配置。详细描述包括具体细节，以便提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说很清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在一些示例中，以框图形式示出了公知的结构和部件，以便避免模糊这些概念。

电药(electroceutical)装置可以被植入患者体内并且对患者的神经提供电刺激以治疗患者的疾病和/或病症。在这方面，该装置(也被称为神经植入物或植入装置)可以包括电极，该电极被充电以向神经提供电刺激。

图1示出了电药装置100的示例。电药装置100包括电极110、电池115、电流源120以及开关122、124、126和128。电极110可以被电建模为包括串联的电阻器R和电容器C的RC电路，如图1所示。电池110针对装置110提供近似固定的电压Vbatt，并且电流源120被配置为调节流向电极110的电流以向电极110提供近似恒定的电流。

为了向神经提供电刺激，电极110被充电和放电。由于电极110被建模为RC电路，电刺激可以被视为一个将RC电路充电和放电的过程。为了对电极110充电，开关122和128闭合(导通)，并且开关124和126断开(关断)。这允许电池115对电极110充电，其中电流源120调节流向电极110的电流，使得到电极110的电流近似恒定。为了使电极110放电，开关124和126闭合(导通)，并且开关122和128断开(关断)。这反转了电极110处的电流的方向，引起电极110放电。

图1所示的电药装置100具有对装置100的能量效率产生负面影响的几个缺点。一个缺点是，跨电流源120存在大的开销电压，导致大量浪费的能量。这是因为，电池115的电压Vbatt是固定的并且需要很大以便适应电极110的全电压范围。结果，当电极110的电压Ve很小时(例如，在充电开始时)，在电流源120两端出现大的开销电压，导致大量浪费的能量。第二个缺点是，在充电之后存储在电极110的电容器C中的能量在放电期间被转储到地，而不是再循环回到电池115。结果，存储在电容器C中的能量被浪费。

因此，需要解决上面讨论的一个或多个缺点，以提高能量效率，并且因此延长电药装置的电池寿命。

下面图2示出了根据本公开的某些方面的电药装置200。电药装置200包括电极210、电池218、双向开关调节器220、双向电流源240、端子电容器Cterm和控制器250。开关调节器220具有耦合到电池218的第一端子230和耦合到双向电流源240的第二端子235。双向电流源240耦合在开关调节器220的第二端子235与电极210之间。端子电容器Cterm耦合在开关调节器220的第二端子235与接地之间。

在图2中的示例中，电极210被电建模为包括串联的电阻器R和电容器C的RC电路，其中电阻器R建模电极210的电阻，并且电容器C建模电极210的电容。电极210具有耦合到双向电流源240的第一端子212和耦合到电容器265的第二端子214。电容器265被预充电到Vm的电压。因此，电极210的第二端子214处的电压被设置为Vm。如下面进一步讨论，这允许在不需要负电压的情况下使电极210放电。

在图2所示的示例中，开关调节器220利用双向降压升压转换器来实现，以覆盖宽的输入/输出电压范围。降压升压转换器是双向的，因为降压升压转换器能够在任一方向上(即，从第一端子230到第二端子235，或从第二端子235到第一端子230)转移能量。对于给定的输入电压，降压升压转换器能够提升输入电压以产生大于输入电压的输出电压，或者抵消输入电压以产生小于输入电压的输出电压，如下面进一步讨论。因此，降压升压转换器的输出电压范围覆盖大于输入电压的输出电压和小于输入电压的输出电压。

在图2中的示例中，开关调节器220包括电感器L、第一开关222、第二开关224、第三开关226和第四开关228。第一开关222耦合在开关调节器220的第一端子230与电感器L的第一端子225之间。第二开关224耦合在电感器L的第一端子225与接地之间。第三开关226耦合在开关调节器220的第二端子235与电感器L的第二端子227之间。最后，第四开关228耦合在电感器L的第二端子227与接地之间。控制器250通过控制开关222、224、226和228的导通/关断状态来控制开关调节器220的操作，如下面进一步讨论。为了便于说明，控制器250与开关222、224、226和228之间的各个连接在图2中未被示出。开关222、224、226和228可以利用n型场效应晶体管(NFET)开关、p型场效应晶体管(PFET)开关或其组合来实现。

双向电流源240被配置为在控制器250的控制下在任一方向上提供近似恒定的电流。在这方面，双向电流源240包括第一电流源242和第二电流源244，第一电流源242被配置为提供用于对电极210充电的近似恒定的电流，第二电流源244被配置为提供用于使电极210放电的近似恒定的电流。每个电流源可以利用电流镜或其他类型的电路来实现。在操作中，控制器250一次一个地激活电流源242和244中的一个电流源，如下面进一步讨论。为了便于说明，控制器250与电流源242和244之间的各个连接在图2中未被示出。

电药装置200通过将电极210充电和放电来向神经提供电刺激。在这方面，根据某些方面下面详细讨论充电操作，随后是放电操作。

为了对电极210充电，控制器250激活第一电流源242并且去激活第二电流源244，使得电流的方向朝向电极210。控制器250然后在多个开关周期内导通/关断开关222、224、226和228。每个开关周期包括第一阶段φ和第二阶段

在每个周期的第一阶段φ期间，控制器250闭合(导通)开关222和228，并且断开(关断)开关224和226。结果，电感器L的第一端子225耦合到电池218，并且电感器L的第二端子227耦合到接地。这允许电池218激励电感器L。

在每个周期的第二阶段期间，控制器250闭合(导通)开关224和226，并且断开(关断)开关222和228。结果，电感器L的第一端子225耦合到接地，并且电感器L的第二端子227耦合到端子电容器Cterm。这引起开关调节器220将电感器L中的能量转储到端子电容器Cterm。然后，能量通过第一电流源242从端子电容器Cterm流到电极210。因此，在充电期间，开关调节器220从第一端子230向第二端子235转移能量。端子电容器Cterm有助于在电感器L与第二端子235解耦时，在每个开关周期的第一阶段φ期间，保持开关调节器220的第二端子235处的电压Vbb。

第一电流源242调节流向电极210的电流，使得近似恒定的电流流到电极210。近似恒定的电流允许通过控制充电的持续时间来精确地对电极210的电容器C充电，如下面进一步讨论。

开关调节器220可以在很多开关周期(例如，100s或1000s的周期)内对电极210的电容器C充电。如下面进一步讨论，通过在电极210的充电期间动态地调节开关周期的第一阶段φ和第二阶段的持续时间，控制器250可以在电极210的充电期间调节开关调节器220的第二端子235处的电压Vbb。例如，开关调节器220可以具有可以被定义为第一阶段φ的持续时间相对于阶段φ和的持续时间之和的占空比。在该示例中，控制器250可以通过增加开关调节器220的占空比来增加电压Vbb，并且通过减小开关调节器220的占空比来减小电压Vbb。在其中开关调节器220利用降压升压转换器来实现的图2所示的示例中，开关调节器220能够将电压Vbb调节到高于和低于输入电压的电压水平。例如，开关调节器220可以针对大于50％的占空比将输入电压升压，并且针对小于50％的占空比将输入电压降压。

由于流入电极210的电流由于第一电流源242而近似恒定，跨电容器C的电压在充电期间线性增加(斜升)。其一个示例如图3A所示，图3A示出了在充电期间的电极210的端子212处的电压Ve。在充电开始时，电压Ve近似等于Vm加上跨电极210的电阻器R的IR电压降。由于第一电流源242提供的近似恒定的电流(在图3A中表示为“I”)，IR电压降在充电期间保持近似恒定。当电容器C充电时，跨电容器的电压(在图3A中表示为“Vc”)线性增加(斜升)。这引起电极的端子212处的电压Ve也线性增加(斜升)，如图3A所示。

在充电期间，控制器250可以动态地调节开关调节器220的第二端子235处的电压Vbb(例如，通过调节开关调节器220的占空比)，以将跨第一电流源242的开销电压保持为低(例如，接近第一电流源242正常操作所需要的最小开销电压)。与图1中的装置100相比，这显著减少了浪费的能量的量，如下面进一步讨论。

图3A示出了其中控制器250调节电压Vbb以在充电期间跟踪电极210的电压Ve的增加的示例。例如，控制器250可以以与Ve近似相同的速率增加(例如，斜升)Vbb，以将Vbb保持为超过Ve小电压余裕ΔV，如图3A所示。电压余裕ΔV可以被设置为跨第一电流源242而提供恰好足够的开销电压以用于第一电流源242正常操作的电压。通过将跨第一电流源242的开销电压保持为低，与图1中的其中电池115在没有开关调节器的情况下直接耦合到电极110的装置100相比，由于开销电压而引起的浪费的能量的量显著减少。

这可以参考图3B来解释，图3B示出了在其中电池218在没有开关调节器220的情况下直接耦合到第一电流源242的情况下的电池218的电压Vbatt。在这种情况下，电池218的电压Vbatt需要高于电极210的最大电压以便适应电极210的电压范围。如图3B所示，电压余裕ΔV在充电开始时大，导致跨第一电流源242的开销电压大。与图3A相比，大的开销电压导致更大量的浪费能量。

与图1中的电药装置100不同，图2中的电药装置200不需要电池电压Vbatt高于电极210的最大电压。这是因为，开关调节器220(其在图2中利用降压升压转换器来实现)能够在需要对电极210充电时提升电池电压Vbatt。

为了使电极210放电，控制器250激活第二电流源244并且去激活第一电流源242，使得电流的方向远离电极210。第二电流源244调节放电电流，使得放电电流近似恒定。这允许通过控制放电的持续时间来使电容器C精确地放电，如下面进一步讨论。

控制器250然后在多个开关周期内导通/关断开关222、224、226和228。每个开关周期包括第一阶段φ和第二阶段在每个周期的第一阶段φ期间，控制器250闭合(导通)开关224和226，并且断开(关断)开关222和228。结果，电感器L的第一端子225耦合到接地，并且电感器L的第二端子227耦合到端子电容器Cterm。这引起能量从电极210转移到电感器L。在每个周期的第二阶段期间，控制器250闭合(导通)开关222和228，并且断开(关断)开关224和226。结果，电感器L的第一端子225耦合到电池218，并且电感器L的第二端子227耦合到接地。这引起开关调节器220将电感器L中的能量转储到电池218。因此，存储在电极210的电容器C中的能量的一部分被再循环回到电池218，从而提高了能量效率。注意，存储在电容器C中的一些能量通过电阻器R丢失。

开关调节器220可以在很多开关周期(例如，100s或1000s的周期)内使电极210的电容器C放电。因此，在放电期间，开关调节器220从第二端子235向第一端子230转移能量(即，相对于用于充电的能量流动的方向反转能量流动的方向)。

由于流出电极210的电流由于第二电流源244而近似恒定，跨电容器C的电压在放电期间线性减小。在放电期间，控制器250可以调节电压Vbb(例如，通过调节开关调节器220的占空比)，使得电压Vbb保持为比电压Ve低电压余裕ΔV。注意，Vbb低于Ve以用于放电，因为电流的方向相对于充电被反转。电压余裕ΔV可以被设置为提供恰好足够的开销电压以用于第二电流源244正确操作的电压。

在某些方面，控制器250可以使电极215放电，直到跨电容器C的电压近似为零(即，直到电容器C的端子216处的电压近似等于电容器C的端子214处的电压Vm)。这可以被进行，使得电刺激操作导致电容器C上的近似没有电荷净累积。为了使电容器C放电直到端子216达到电压Vm，控制器250可以降低开关调节器220的第二端子235处的电压Vbb，直到Vbb达到近似等于Vm-(IR+ΔV)的电压，其中IR是跨电阻器R的电压降。电容器C的端子214处的电压Vm允许开关调节器220使电容器C放电而不需要电压Vbb为负。相反，如果电容器C的端子214耦合到接地，则电压Vbb将需要变为负值以便使电容器C放电。

图4示出了在刺激操作期间的电极210的电压Ve的示例。在充电期间，电极210的电压Ve可以近似等于Vm+(Vc+IR)，其中IR是跨电阻器的电压降并且Vc是跨电容器C的电压。由于由第一电流源242提供的恒定的充电电流，IR近似恒定，并且Vc线性增加(斜升)，如图4所示。在充电期间，控制器250可以调节Vbb(图4中未示出)以保持Vbb在Ve以上刚好足够高，以提供足够的开销电压以用于第一电流源242正常操作，如上所述。例如，控制器250可以以与Ve近似相同的速率斜升Vbb，以保持Vbb比Ve高电压裕度。

在放电期间，电极210的电压Ve可以近似等于Vm+(Vc-IR)。如图4所示，由于由第二电流源244提供的近似恒定的放电电流，跨电容器C的电压线性减小(斜降)。此外，跨电阻器的IR电压降改变极性，因为电流的方向反转以用于放电。在放电期间，控制器250可以调节Vbb(在图4中未示出)以保持Vbb在Ve以下刚好足够低，以提供足够的开销电压以用于第二电流源244正常操作，如上所述。

如上所述，可以平衡电极210的充电和放电，使得电刺激操作导致在电容器C上近似没有电荷净累积。如果第一电流源242和第二电流源244被配置为提供近似相同的恒定电流，则这可以通过使充电的持续时间近似等于放电的持续时间来实现。例如，如果电刺激操作的持续时间表示为“T”，则充电的持续时间大约为T/2，并且放电的持续时间大约为T/2，其示例在图4中示出。

如上讨论，开关调节器220可以在很多开关周期(例如，100s或1000s的周期)内将电极210充电和放电。例如，控制器250可以以在MHz范围内的频率来切换开关222、224、226和228，在这种情况下，每个开关周期可以是大约几微秒或更短。在该示例中，电刺激操作的持续时间T可以是大约100微秒或毫秒。

因此，在某些实施例中，控制器250可以调节开关调节器220的第二端子235处的电压Vbb，以使Vbb保持刚好足够高于电极210的电压Ve，以用于第一电流源242正常操作。这在充电期间显著降低了跨电流源的开销电压，从而提高了能量效率。

在某些实施例中，控制器250可以操作电压控制器250以在电极210的放电期间将存储在电极210中的能量的一部分转移回到电池218。因此，存储在电极210中的能量的一部分再循环回电池218，从而提高能量效率。相反，在图1中的装置100中，存储在电极110中的所有能量被转储到接地，并且因此被浪费。

在某些方面，控制器250可以感测第二端子235处的电压Vbb，并且基于感测的电压来调节电压Vbb。在这方面，图5示出了其中第二端子235耦合到控制器250以允许控制器250感测电压Vbb的示例。在该示例中，控制器250可以在电极210的充电期间确定针对电压Vbb的目标电压。例如，目标电压可以近似等于电极210的电压Ve加上电压余裕ΔV，如上面讨论。控制器250然后可以将感测的电压Vbb与针对Vbb的目标电压进行比较，并且在减小感测的电压Vbb与目标电压之间的差(误差)的方向上调节电压Vbb(例如，通过调节开关调节器220的占空比)。因此，在该示例中，控制器250基于电压Vbb的反馈来调节开关调节器220的第二端子处的电压Vbb。

如上所述，目标电压可以近似等于电极210的电压Ve加上电压余裕ΔV。控制器250可以通过在充电期间感测电压Ve来确定电压Ve。在这方面，图5示出了其中控制器250耦合到电极210的端子212以允许控制器250感测电压Ve的示例。在该示例中，控制器250可以通过将电压余裕ΔV与感测的电压Ve相加来确定针对Vbb的目标电压。电压余裕ΔV可以接近于电流源240正确操作所需要的最小开销电压。

可替代地，控制器250可以计算电压Ve。假定第一电流源242的电流是已知的并且电容器C的电容是已知的，则控制器250可以使用该信息在充电期间计算Ve。在该示例中，控制器250可以通过将电压余裕ΔV与计算的电压Ve相加来确定针对Vbb的目标电压。

控制器250还使用上面讨论的反馈机制来在放电期间调节开关调节器220的第二端子235处的电压Vbb。在这种情况下，目标电压可以近似等于电极210的电压Ve减去电压余裕ΔV。

在某些方面，控制器250可以使用滞后反馈控制来调节电压Vbb。在这些方面，控制器250还可以被配置为感测电感器L的电流。为此，电药装置500还可以包括耦合在开关224和228与接地之间的电流传感器520，如图5所示。例如，电流传感器520可以用低电阻感测电阻器实现。在该示例中，控制器250可以通过感测跨感测电阻器的IR电压降来感测穿过感测电阻器(并且因此穿过电感器L)的电流。应当理解，电流传感器520不限于图5所示的位置，并且可以被放置在装置500上的另一位置以感测电感器电流。而且，应当理解，装置500可以采用多于一个电流传感器来感测电感器电流。

现在将参考图6中的时序图600来讨论在电极210的充电期间的滞后反馈控制的示例。时序图600示出了开关调节器220的第二端子235处的电压Vbb的示例、电感器电流的示例(在图6中表示为“IL”)、阶段φ的持续时间的示例(在图6中表示为“phi”)、以及阶段的持续时间的示例(在图6中表示为“phib”)。还示出了目标电压的示例(表示为“Vtarget”)。

在该示例中，当感测的电压Vbb降至低于目标电压时，控制器250接通开关调节器220。这在图6中由“on”信号表示，当Vbb降至低于目标电压时，其从低转变为高。这样做是为了通过降低开关调节器220的开关活动来节省功率。

当开关调节器220接通时，控制器250启动开关调节器220的开关周期，其中开关周期包括第一阶段φ和第二阶段在周期的第一阶段φ中，控制器250导通开关222和228并且关断开关224和226以激励电感器L，直到感测到的电感器电流达到电流限制(在图6中表示为“ilimit”)。因此，当感测到的电感器电流达到电流限制时，第一阶段φ结束。控制器250然后开始周期的第二阶段在第二阶段中，控制器导通开关224和226并且关断开关222和228以将电感器L中的能量转移到电极210。第二阶段的持续时间是固定时间限制(在图6中表示为“Toff”)和过零时间(在图6中表示为“izero”)中的最小值，其中当感测到的电感器电流大约为0时发生过零时间。

在周期结束时，控制器250确定电压Vbb是否仍然低于目标电压。如果电压Vbb高于目标电压，则控制器250可以关断开关调节器220，直到感测电压Vbb再次低于目标电压。如果电压Vbb仍然低于目标电压，则控制器250可以启动开关调节器220的另一开关周期，如上讨论。控制器250可以继续启动开关周期，直到感测的电压Vbb上升到目标电压以上。

因此，当感测的电压Vbb下降到目标电压以下时，控制器250接通开关调节器220，并且操作开关调节器220以在一个或多个开关周期内从第一端子230向第二端子235转移能量，直到感测的电压Vbb上升到目标电压以上。尽管目标电压在图6中为简单起见而被示出为固定，但是应当理解，目标电压可以随时间改变。例如，目标电压可以跟踪电极210的电压Ve的变化，以将目标电压保持为比电压Ve高电压余裕ΔV，如上所述。

如图6所示，电压Vbb可以在目标电压附近少量波动。在这方面，电压余裕ΔV可以被设置为略高于电流源240操作所需要的最小开销电压的电压，以提供足够的净空以适应Vbb关于目标电压的波动。例如，电压余裕ΔV可以被设置为等于或小于用于电流源进行操作的最小开销电压的两倍的电压。在另一示例中，电压余裕ΔV可以被设置为等于或小于用于电流源进行操作的最小开销电压的150％的电压。在一个方面，最小开销电压可以对应于跨电流源的电压，在该电压下电流偏离恒定电流10％。

上面讨论的示例性滞后反馈控制还可以用于在电极210的放电期间调节电压Vbb。在这种情况下，控制器250反转开关的开关顺序，使得电感器L在第一阶段φ(在图6中表示为“phi”)期间耦合到第二端子235并且电感器L在第二阶段(在图6中表示为“phib”)期间耦合到第一端子230。如上所述，这样做是为了反转从电极210到电池218的能量的流动。

应当理解，图6所示的滞后反馈控制仅是示例性的，并且控制器250可以采用另一种反馈控制机制。

在某些方面，控制器250可以对电容器265进行预充电以设置电容器C的端子214处的电压Vm。在这方面，电药装置500可以进一步包括耦合在电容器265与控制器250之间的开关530，如图5所示。为了对电容器265预充电，控制器250可以闭合(导通)开关530以将控制器250耦合到电容器265。控制器250可以然后将电容器265预充电到电压Vm，其中电压Vm可以是足够高以允许开关调节器220使电容器C放电而不需要负电压的电压。在电容器265被预充电到Vm之后，控制器250可以断开开关530。

电药装置可以采用能量收集来对装置供电。例如，该装置可以包括被配置为经由无线信号(例如，RF信号)从外部电源无线地接收能量的无线充电线圈。这允许能量通过患者从外部电源转移到装置。电药装置可以将所接收的能量存储在装置的电池中以供以后使用(例如，向患者提供电刺激)。

在这方面，图7示出了根据某些方面的其中电药装置700还包括无线充电线圈710的示例。无线充电线圈710被配置为经由无线信号从外部电源(未示出)无线地接收能量。装置700进一步包括被配置为将无线充电线圈710与开关调节器720对接的接口电路715，如下面进一步讨论。

在该示例中，开关调节器720包括上面讨论的电感器L以及开关222、224、226和228。开关调节器720进一步包括耦合在电感器L的第二端子228与开关调节器720的第三端子730之间的第五开关722。接口电路715耦合在开关调节器720的第三端子730与无线充电线圈710之间。在操作中，无线充电线圈710从外部电源接收无线信号，并且将所接收的信号转换为AC信号。接口电路715被配置为将来自无线充电线圈710的AC信号整流为DC电压，并且将DC电压输出到开关调节器220的第三端子730。

在某些方面，控制器250在使用无线充电线圈710对电池218充电以及经由电极210提供电刺激之间对开关调节器720进行时间多路复用。为了提供电刺激，控制器250断开(关断)开关722以将电感器L与无线充电线圈710解耦(电隔离)。控制器250然后如上所述将电极210充电和放电。当开关722断开时，控制器250可以执行一个或多个电刺激操作。当正在执行电刺激操作时，开关722保持断开。

为了使用由无线充电线圈710收集的能量来对电池218充电，控制器断开(关断)开关226以将电感器L与电极210解耦(电隔离)。控制器250然后在一个或多个开关周期内导通/关断开关222、224、228和730以从无线充电线圈710向电池218转移能量。每个开关周期包括第一阶段φ和第二阶段在每个周期的第一阶段φ期间，控制器250闭合(导通)开关722和224，并且断开(关断)开关222和228。结果，电感器L的第二端子227经由接口电路715耦合到无线充电线圈710，并且电感器L的第一端子225耦合到接地。这允许无线充电线圈710利用从来自外部电源的无线信号接收的能量来激励电感器L。在每个周期的第二阶段期间，控制器250断开(关断)开关722和224并且闭合(导通)开关222和228。结果，电感器L的第一端子225耦合到电池218，并且电感器的第二端子227耦合到接地。这将存储在电感器L中的能量转移到电池218，从而对电池218充电。当电池218由无线充电线圈710充电时，开关226保持断开。

在通过无线充电线圈710对电池218充电期间，控制器250可以调节开关调节器720的占空比，以将第三端子730处的DC电压转换为近似等于第一端子230处的电池电压Vbatt的电压。在其中开关调节器720利用降压升压转换器实现的图7中的示例中，DC电压可以大于或小于电池电压Vbatt。这是因为，开关调节器720可以升高或降低DC电压(例如，取决于开关调节器220的占空比)。

因此，开关调节器720可以在使用无线充电线圈710对电池218充电以及向患者提供电刺激之间进行时间多路复用。这允许开关调节器720的电感器L由装置700的电池充电操作和电刺激操作共享，从而减小装置700的尺寸。

在电池充电操作中，开关调节器720通过电感器L从无线充电线圈710向电池218转移能量以对电池218充电。在电刺激操作中，能量在两个方向上转移。更具体地，开关调节器720通过电感器L从电池218向电极210转移能量以对电极210充电。然后，开关调节器720通过电感器L从电极210向电池218转移能量以使电极210放电。

图8示出了根据本公开的某些方面的接口电路715的示例性实现。在该示例中，接口电路715包括调谐电路810、整流器820和齐纳二极管830。

调谐电路810包括第一电容器C1和第二电容器C2，其中第一电容器C1和第二电容器C2串联耦合，并且第一电容器C1与无线充电线圈710并联耦合。调谐电路810可以被配置为调谐无线充电线圈710的谐振频率以最大化从无线信号中获取的能量的量。

整流器820包括第一二极管D1、第二二极管D2和第三电容器C3。第一二极管D1和第二二极管D2串联耦合，并且第一二极管D1与调谐电路810并联耦合。二极管D1和D2被配置为对来自线圈710的AC信号进行整流，并且第三电容器C3被配置为平滑整流的信号以生成输出到开关调节器220的DC电压。

齐纳二极管830被配置为通过限制DC电压的最大电压水平来提供电压保护。当DC电压的电压水平达到齐纳二极管830的击穿电压时，齐纳二极管830提供对地分路，从而将DC电压的电压水平限制为齐纳二极管830的击穿电压。

图9示出了其中电药装置900进一步包括耦合在电池218与开关调节器220的第一端子230之间的电流源942、耦合在电池218与开关调节器220的第一端子230之间的开关944、以及耦合在开关调节器220的第一端子230与接地之间的端子电容器Cterm1的示例。在图9中，耦合到开关调节器220的第二端子235的端子电容器标记为“Cterm2”，以将该电容器与耦合到开关调节器220的第一端子230的端子电容器Cterm1区分开。

电流源942被配置为调节流向电池218的电流。电流源942可以利用电流镜或其他类型的电路来实现。为了便于说明，控制器250与电流源942之间的连接在图9中未被示出。

当开关调节器220从电极210或无线充电线圈710向电池218转移能量时，控制器250激活电流源942并且断开开关944。电流源942调节流向电池218的电流。例如，电流源942可以调节电流以向电池218提供近似恒定的电流。

当开关调节器220从电池218向电极210转移能量时，控制器250闭合开关944并且去激活第一电流源942。这将电池218耦合到第一端子230，以允许电流从电池218流到第一端子230。

图10是示出根据本公开的某些方面的用于提供电刺激的方法1000的流程图。方法100可以由图2、图5、图7、图8和图9所示的任何一个电药装置执行。

在步骤1010中，从电池向电极转移能量以对电极充电。例如，能量可以在第一多个开关周期内通过电感器(例如，电感器L)从电池(例如，电池218)转移到电极(例如，电极210)。在第一多个开关周期的每个开关周期中，电感器可以首先耦合到电池以激励电感器，以及然后耦合到电极以将电感器中的能量转移到电极。

在步骤1020中，在对电极充电之后，从电极向电池转移能量以使电池放电。例如，能量可以在第二多个开关周期内通过电感器从电极转移到电池。在第二多个开关周期中的每个开关周期中，电感器可以首先耦合到电极以激励电感器，以及然后耦合到电池以将电感器中的能量转移到电池。从电极转移到电池的能量可以包括在充电期间从电池转移到电极的能量的一部分，从而将该部分能量再循环回到电池。注意，通过电阻器R损失了一些能量。

应当了解，本公开不限于图2所示的示例性开关布置，并且可以针对开关调节器使用其他开关布置。例如，为了从第一端子230向第二端子235转移能量，可以使用其他开关布置来将电感器L耦合到第一端子230以使用电池218激励电感器L，以及然后将电感器L耦合到第二端子235以将电感器L中的能量转移到第二端子235。类似地，其他开关布置可以用于将电感器L耦合到第二端子235或第三端子730以使用电极210或充电线圈710激励电感器L，以及然后将电感器L耦合到第一端子230以将电感器L中的能量转移到第一端子230。因此，本公开不限于用于开关调节器的特定开关布置。

控制器250可以利用一个或多个处理器和存储指令的一个或多个存储器来实现，这些指令在由一个或多个处理器执行时引起一个或多个处理器执行本文中讨论的操作。一个或多个处理器可以包括通用微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)、控制器、状态机、门控逻辑、分立硬件部件、专用硬件有限状态机、或其任何组合。一个或多个存储器可以在一个或多个处理器内部和/或在一个或多个处理器外部。一个或多个存储器可以包括任何合适的计算机可读介质，包括RAM、ROM、闪存、EEPROM等。

提供对本公开的先前描述是为了使得所属领域的技术人员能够制作或使用本公开。对于本领域技术人员来说，对本公开的各种修改是很清楚的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文中定义的一般原理可以应用于其他变型。因此，本公开不旨在限于本文中描述的示例，而是应当符合与本文中公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。

Claims (25)

1.一种装置，包括：

电池；

电极；

开关调节器，具有耦合到所述电池的第一端子和耦合到所述电极的第二端子；以及

控制器，被配置为操作所述开关调节器以将所述电极充电和放电，其中为了对所述电极充电，所述控制器操作所述开关调节器以从所述电池向所述电极转移能量，并且为了使所述电极放电，所述控制器操作所述开关调节器从所述电极向所述电池转移能量。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器被配置为在所述电极的充电期间斜升所述开关调节器的所述第二端子处的电压。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制器被配置为在所述电极的充电期间通过调节所述开关调节器的占空比来斜升所述开关调节器的第二端子处的所述电压。

4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括耦合在所述开关调节器的所述第二端子与所述电极之间的双向电流源，其中所述双向电流源被配置为调节所述开关调节器的所述第二端子与所述电极之间的电流。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述控制器被配置为在所述电极的充电期间调节所述开关调节器的所述第二端子处的电压，以保持所述第二端子处的所述电压比所述电极的电压高电压余裕。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述电压余裕等于或小于用于所述电流源进行操作的最小开销电压的两倍。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述开关调节器包括：

电感器；

第一开关，耦合在所述开关调节器的所述第一端子与所述电感器的第一端子之间；

第二开关，耦合在所述电感器的所述第一端子与接地之间；

第三开关，耦合在所述开关调节器的所述第二端子与所述电感器的第二端子之间；以及

第四开关，耦合在所述电感器的所述第二端子与所述接地之间。

8.根据权利要求7所述的装置，其中为了对所述电极充电，所述控制器被配置为在多个开关周期内操作所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关，每个开关周期包括第一阶段和第二阶段，其中在每个周期的所述第一阶段中，所述控制器被配置为导通所述第一开关和所述第四开关并且关断所述第二开关和所述第三开关，并且在每个周期的所述第二阶段中，所述控制器被配置为导通所述第二开关和所述第三开关并且关断所述第一开关和所述第四开关。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述开关调节器包括电感器，并且所述开关调节器被配置为通过所述电感器在所述电池与所述电极之间转移能量。

10.根据权利要求1所述的装置，进一步包括耦合到所述开关调节器的第三端子的无线充电线圈，其中所述控制器被配置为操作所述开关调节器以从所述无线充电线圈向所述电池转移能量以对所述电池充电。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述控制器被配置为在使用所述无线充电线圈对所述电池充电以及将所述电极充电和放电之间对所述开关调节器进行时间多路复用。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述开关调节器包括电感器，并且所述开关调节器被配置为通过所述电感器在所述电池与所述电极之间转移能量，并且通过所述电感器在所述无线充电线圈与所述电池之间转移能量。

13.根据权利要求1所述的装置，其中从所述电极转移到所述电池的能量包括从所述电池转移到所述电极的能量的一部分。

14.一种用于提供电刺激的方法，包括：

从电池向电极转移能量以对所述电极充电；以及

在所述电极被充电之后，从所述电极向所述电池转移能量以使所述电极放电。

15.根据权利要求14所述的方法，其中从所述电池向所述电极转移能量包括：在第一多个开关周期内通过电感器从所述电池向所述电极转移能量。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一多个开关周期中的每个开关周期包括第一阶段和第二阶段，并且从所述电池向所述电极转移能量包括：

在所述第一多个开关周期中的每个开关周期的所述第一阶段中，将所述电感器耦合到所述电池以激励所述电感器；以及

在所述第一多个开关周期中的每个开关周期的所述第二阶段中，将所述电感器耦合到所述电极以将存储在所述电感器中的能量转储到所述电极。

17.根据权利要求16所述的方法，其中从所述电极向所述电池转移能量包括：在第二多个开关周期内通过所述电感器从所述电极向所述电池转移能量。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第二多个开关周期中的每个开关周期包括第一阶段和第二阶段，并且从所述电极向所述电池转移能量包括：

在所述第二多个开关周期中的每个开关周期的所述第一阶段中，将所述电感器耦合到所述电极以激励所述电感器；以及

在所述第二多个开关周期中的每个开关周期的所述第二阶段中，将所述电感器耦合到所述电极以将所述电感器中的能量转储到所述电池。

19.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：使用电流源调节所述电感器与所述电极之间的电流。

20.根据权利要求14所述的方法，其中从所述电极转移到所述电池的能量包括从所述电池转移到所述电极的能量的一部分。

21.一种用于提供电刺激的设备，包括：

用于从电池向电极转移能量以对所述电极充电的装置；以及

用于在所述电极被充电之后从所述电极向所述电池转移能量以使所述电极放电的装置。

22.根据权利要求21所述的设备，其中用于从所述电池向所述电极转移能量的所述装置包括用于在第一多个开关周期内通过电感器从所述电池向所述电极转移能量的装置。

23.根据权利要求22所述的设备，其中用于从所述电极向所述电池转移能量的所述装置包括用于在第二多个开关周期内通过所述电感器从所述电极向所述电池转移能量的装置。

24.根据权利要求21所述的设备，进一步包括用于调节所述电感器与所述电极之间的电流的装置。

25.根据权利要求21所述的设备，其中从所述电极转移到所述电池的能量包括从所述电池转移到所述电极的能量的一部分。