JP5813868B2 - 埋め込み可能医療デバイスのためのバッテリ管理 - Google Patents

Description

〔関連出願への相互参照〕
この国際出願は、その全内容が引用により本明細書に組み込まれている２０１１年７月２０日出願の米国特許仮出願番号第６１／５０９，７０１号に対する優先権を主張するものである。

本出願は、埋め込み可能医療デバイスの分野に関し、特に、バッテリを有する埋め込み可能医療デバイスのための管理回路に関する。

埋め込み可能神経刺激デバイスは、心不整脈を治療するペースメーカー、心細動を治療する除細動器、難聴を治療する蝸牛刺激器、視覚消失症を治療する網膜刺激器、協働四肢移動を生成する筋刺激器、慢性疼痛を治療する脊髄刺激器、移動及び精神的疾患を治療する大脳皮質及び脳深部刺激器、並びに尿失禁、睡眠時無呼吸、肩関節亜脱臼などを治療する他の神経刺激器のような様々な生物学的疾患の治療のために体神経及び組織に対して電気刺激を発生させて送出するデバイスである。以下に示す説明は、一般的に、米国特許第６，５１６，２２７号明細書に開示するような「脊髄刺激（ＳＣＳ）」システムにおける本発明の使用に重点が置かれることになる。しかし、本発明は、あらゆる埋め込み可能神経刺激器において適用性を見出すことができる。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、ＳＣＳシステムは、典型的には、例えば、チタンのような導電材料で形成された生体適合性デバイスケース３０を含む「埋め込み可能パルス発生器（ＩＰＧ）」１００を含む。ケース３０は、典型的には、ＩＰＧが機能するのに必要な回路及びバッテリ２６を保持するが、ＩＰＧはまた、外部ＲＦエネルギによりかつバッテリなしに給電することができる。ＩＰＧ１００は、各々がいくつかの電極１０６を含むような１つ又はそれよりも多くの電極アレイを含む（２つのこのようなアレイ１０２及び１０４が示されている）。電極１０６は、各電極に結合した個々の電極リード１１２及び１１４も収容する可撓性本体１０８上に担持される。図示の実施形態において、Ｅ１−Ｅ１６のラベル付きの１６の電極がアレイ１０２上にあり、Ｅ１７−Ｅ３２のラベル付きの１６の電極がアレイ１０４上にあるが、アレイ及び電極の数は、用途特定であり、従って、異なる場合がある。アレイ１０２、１０４は、例えば、エポキシを含むことができる非導電性ヘッダ材料３６内に固定されたリードコネクタ３８ａ及び３８ｂを使用してＩＰＧ１００に結合する。別の例では、ＩＰＧ１００は、８つの電極を各々が有する４つの電極アレイを支持する４つのリードコネクタを含むことができる。

図２に示すように、ＩＰＧ１００は、典型的には、ＰＣＢ１６に装着されたマイクロプロセッサ、集積回路、及びコンデンサのような様々な電子構成要素２０と共に、プリント基板（ＰＣＢ）１６を含む電子基板アセンブリを含む。使用されるバッテリの設計及びタイプに応じて、２つのコイル（より一般的にはアンテナ）、すなわち、外部コントローラ１２との間でデータを送信／受信するのに使用するテレメトリコイル１３と、外部充電器５０を使用してＩＰＧのバッテリ２６を充電又は再充電するための充電コイル１８とである２つのコイルをＩＰＧ１００に存在させることができる。テレメトリコイル１３は、図示のようにＩＰＧ１００のヘッダ３６内に装着され、フェライトコア１３’に巻き付けることができる。しかし、テレメトリコイル１３はまた、ケース３０の内側に配置することができる。例えば、引用により本明細書に組み込まれている米国特許公開第２０１１／０１１２６１０号明細書を参照されたい。

上述したように、手持ち式プログラマー又は臨床医のプログラマーのような外部コントローラ１２は、無線でＩＰＧ１００にデータを送信し、そこからデータを受信するのに使用される。例えば、外部コントローラ１２は、プログラミングデータをＩＰＧ１００に送信し、ＩＰＧ１００が患者に提供することになる治療を判断することができる。同様に、外部コントローラ１２は、ＩＰＧのステータスに関して報告される様々なデータのようなＩＰＧ１００からのデータの受信機として作用することができる。ＩＰＧ１００のような外部コントローラ１２はまた、ＰＣＢ７０を収容し、その上に外部コントローラ１２の作動を制御するための電子構成要素７２が置かれる。コンピュータ、携帯電話、又は他の手持ち式電子デバイスのために使用するものに類似し、かつ例えば触れることができるボタン及びディスプレイを含むユーザインタフェース７４は、患者又は臨床医が外部コントローラ１２を作動させることを可能にする。外部コントローラ１２との間のデータの通信は、コイル（アンテナ）１７によって可能にされる。

同じく典型的に手持ち式デバイスである外部充電器５０は、ＩＰＧ１００に電力を無線で伝達するのに使用され、この電力は、ＩＰＧのバッテリ２６を再充電するのに使用することができる。外部充電器５０からの電力の伝達は、充電磁場を発生させるコイル（アンテナ）１７’によって可能にされる。外部充電器５０は、外部コントローラ１２に類似する構成を有するとして描かれているが、実際には、それらは、当業者が認めるようにそれらの機能性に従って異なることになる。

ＩＰＧ１００はまた、充電コイル１８のインピーダンスを変調することにより、充電中に外部充電器５０にデータを伝送して戻すことができる。このインピーダンスの変化は、外部充電器５０内のコイル１７’に反射して戻され、それは、反射を復調して、送信されたデータを回復する。ＩＰＧ１００から外部充電器５０にデータを送信するこの手段は、「ロード・シフト・キーイング（ＬＳＫ）」として公知であり、充電が完了して外部充電器を停止することができるか否かのようなＩＰＧ１００内のバッテリ２６の充電中に関連するデータを伝送するのに有用である。ＩＰＧ１００から外部充電器へのＬＳＫ通信は、２００９年１月１５日出願の米国特許出願番号第１２／３５４，４０６号明細書、及び２００９年１１月１１日出願の米国特許出願番号第１２／６１６，１７８号明細書に更に説明されている。

外部デバイス１２及び５０とＩＰＧ１００の間の無線データテレメトリ及び電力伝達は、誘導結合及び特に誘導結合を通じて起こる。このような機能性を実施するために、ＩＰＧ１００と外部デバイス１２及び５０との両方は、対として一緒に作用するコイルを有する。外部コントローラ１２の場合には、コイルの関連の対は、コントローラからのコイル１７及びＩＰＧ１００からのコイル１３を含む。外部充電器５０の場合には、コイルの関連の対は、充電器からのコイル１７’及びＩＰＧ１００からのコイル１８を含む。公知のように、データ又は電力の誘導伝送は、経皮的に、すなわち、患者の組織２５を通して行うことができ、特に医療埋め込み可能デバイスシステムにおいてそれを有用にする。データ又は電力の伝送中に、コイル１７及び１３又は１７’及び１８は、好ましくは、共線軸線に沿って平行である平面にあり、コイルは、互いにできるだけ近い。コイル１７及び１３の間のこのような向きは、一般的に、それらの間の結合を改善することになるが、理想的な向きからの逸脱でも、適切に信頼できるデータ又は電力伝達を依然としてもたらすことができる。

米国特許第６，５１６，２２７号明細書 米国特許公開第２０１１／０１１２６１０号明細書 米国特許出願番号第１２／３５４，４０６号明細書 米国特許出願番号第１２／６１６，１７８号明細書 米国特許出願番号第６１／３９２，５９４号明細書 米国特許出願番号第１２／５７５，７３３号明細書 米国特許出願番号第１２／６２４，１６２号明細書 米国特許出願番号第６１／３３２，５５５号明細書 米国特許出願番号第６１／４１４，６１６号明細書 米国特許仮出願番号第６１／３１８，１９８号明細書

本発明の開示は、埋め込み可能医療デバイスのための改良されたバッテリ管理回路及び関連のバッテリ管理方式に関する。

埋め込み可能パルス発生器（ＩＰＧ）及び従来技術により電極アレイがＩＰＧに結合される方式を示す図である。 埋め込み可能パルス発生器（ＩＰＧ）及び従来技術により電極アレイがＩＰＧに結合される方式を示す図である。 従来技術によるＩＰＧ、外部コントローラ、及び外部充電器を示す図である。 ＩＰＧのための改良されたバッテリ管理回路を示す図である。 改良されたバッテリ管理回路における回路の一部を示す詳細図である。 改良されたバッテリ管理回路における回路の一部を示す詳細図である。 集積回路に実施され、かつＩＰＧの他の構成要素に結合された時の改良されたバッテリ管理回路の１つの実施を示す図である。 集積回路に実施され、かつＩＰＧの他の構成要素に結合された時の改良されたバッテリ管理回路の１つの実施を示す図である。 改良されたバッテリ管理回路に使用される電流／電圧供給源を表す略回路図を示す図である。 図６の電源を制御し、かつバッテリの過充電を防ぐために他の態様を制御するためのＩＰＧ内のファームウエアの作動を示す図である。 改良されたバッテリ管理回路の配置を含む集積回路のレイアウトを示す図である。

図３は、「背景技術」で説明したＩＰＧ１００のような埋め込み可能医療デバイスのための改良されたバッテリ管理回路２００を示している。バッテリ管理回路２００は、バッテリ２６を充電するために制御された電流を発生させるための充電回路１５０と、ＩＰＧ１００の通常作動中にバッテリ２６が給電する負荷１６０からバッテリ２６を制御可能に接続又は切断することができる負荷隔離回路１５５とを含む。図示のように、バッテリ管理回路２００は、充電回路１５０が、フロントエンド回路１４９（以下に説明する）とバッテリ２６の正端子（Ｖｂａｔ）との間に介在し、かつ隔離回路１５５が、バッテリ２６の正端子と負荷１６０の間に介在するように、充電回路１５０、負荷隔離回路、及びバッテリの間でＴ字形トポロジーを有する。後で詳しく説明するように、充電回路１５０及び隔離回路１５５をモニタかつ制御するのに、様々な回路１３４、１４２、１４４、１４６、及び１５６が使用される。

外部充電器５０のコンデンサ１１０は、そのコイル１７’に結合してＡＣ充電磁場を生成するためのＬ−Ｃ共振又は「タンク」回路を提供する。充電磁場は、ＩＰＧ１００のコイル１８に電流を誘起し、コイル１８は、同様にタンク回路を形成するためにコンデンサ１１４に結合する。ＩＰＧのタンク回路１８／１１４によって生成されたＡＣ電圧は、標準的な全波整流器回路１１６によって第１のＤＣ電圧Ｖ１に変換され、Ｖ１は、コンデンサ１１８を通じて濾過される。ツェナーダイオード１２０は、恐らく５．５ボルトかそこらの安全なレベルにＶ１をクランプしておき、そのレベルは、使用される半導体処理及び設計規則に対する最大定格の十分下になるように選択される。

Ｖ１は、ダイオード１２２を通過して第２のＤＣ電圧Ｖｄｃを生成する。ダイオード１２２は、何らかの理由、例えば、フロントエンド回路１４９における短絡回路のためにＶ１が過度に低くなった場合に、バッテリ２６から望ましくないドレインを防ぐことを意図される。このような状況におけるダイオード１２２は、Ｖｂａｔが（特に）以下に説明する通常の充電経路を通じてドレインすることを防ぐと考えられる。

多くの方法で実施可能であるが、一実施形態において、フロントエンド回路１４９及びバッテリ２６は、個別のオフチップ構成要素を含むのが好ましく、バッテリ管理回路２００は、図５Ａに示されている集積回路（ＩＣ）３００上に含まれる。ＩＣ３００は、埋め込み可能医療デバイス内の他の機能を実行する他の回路ブロックを含むことができる。これらの回路ブロックの殆ど全てが、最終的には負荷隔離回路１５５を通じてバッテリ２６によって給電され、従って、上述の一般的な負荷１６０の一部を含む。更に、ＩＣ３００は、図５Ｂに示すようにマイクロコントローラ３０５のようなＩＰＧ１００内の他の構成要素にそれ自体を結合することができ、マイクロコントローラ３０５及び他の構成要素は、バッテリ２６によって給電され、従って、負荷１６０の一部を含む。ＩＣ３００の様々な回路ブロック及び外部構成要素は、これらが通信することができるようにバス２９７によって結合することができる。バス２９７は、プロトコルに従ってバス２９７上で作動する様々なバス信号（アドレス／データ、書込／読取、アドルラッチ有効化など）を含む。ＩＣ３００、その様々な回路ブロック、マイクロコントローラ３０５、バス２９７、バス通信プロトコル、及び図５Ａ及び図５Ｂからの他の詳細は、その全内容が引用により本明細書に組み込まれている２０１０年１０月１３日出願の米国特許出願番号第６１／３９２，５９４号明細書に説明されており、これらの図に関する更なる詳細は、本明細書では長々と説明しない。マイクロコントローラ３０５は、バッテリ管理回路２００を含む同じＩＣ３００上に統合することができる。実際の実施では、負荷１６０は、ＩＰＧ１００における様々なブロック及び構成要素のための電源電圧を生成するための１つ又はそれよりも多くも電圧調整器を含む。

Ｖｄｃにおいて、回路２００は、通常充電経路とトリクル充電経路に分割される。トリクル充電経路は、パッシブ又は受動的であり、すなわち、ゲートされておらず充電磁場によって提供される以外の電力を必要としない。トリクル経路は、ノードＶｄｃからバッテリ２６まで電流制限抵抗器１２４及び１つ又はそれよりも多くのダイオード１２６を通じて進む。トリクル充電経路は、バッテリの電圧Ｖｂａｔが通常の回路作動に必要な最小電圧よりも低い時に（例えば、２．５ボルト未満）、小充電電流Ｉｔｒｉｃｋｌｅをバッテリ２６に提供するのに使用される。特に、トリクル充電電流を発生させるために、Ｖｄｃは、ダイオード１２６両端の電圧降下とバッテリ２６の電圧Ｖｂａｔとの和よりも高くすべきである。典型的な条件の下で３つのダイオード１２６及び２００オームの抵抗器１２４が使用されることを仮定して、抵抗器１２４及びダイオード１２６両端の降下は、約２．０ボルトになる（その大きさは、抵抗又はダイオードの数を変えることによって調節することができる）。従って、Ｖｄｃが約２．０Ｖ＋Ｖｂａｔよりも大きい場合に、トリクル充電電流はバッテリにパッシブ又は受動的に流れる。この条件が満たされずに、Ｖｄｃが十分に小さいこと又はＶｂａｔが十分に高いことを示す場合に、ダイオード１２６は、逆バイアスされ、バッテリ２６がトリクル充電経路を通じて逆にドレインすることを防ぐ。

それがパッシブであるので、トリクル充電経路は、バッテリ２６が通常充電経路を通じて充電される場合でも、トリクル充電電流を生成することができる（以下に更に説明する）。しかし、Ｉｔｒｉｃｋｌｅ（通常は数ミリアンペアの程度）は、典型的にＩｎｏｒｍａｌ（通常は数十ミリアンペアの程度）に比べて非常に小さいと考えられるので、そのような付加的な充電電流は、比較的に有意ではないと考えられる。

通常充電経路は、Ｖｄｃからバッテリ２６まで電流／電圧供給源１３０（図６に関して後で詳しく説明する）、充電電流感知抵抗器１３２、及び過電圧保護スイッチ１３６を通じて進む。充電電流感知抵抗器１３２は、相対的に小さく（例えば、１オーム）、この抵抗器両端の電圧降下は、充電電流検出回路１３４によってモニタされる。充電電流検出回路１３４は、充電電流Ｉｎｏｒｍａｌを示すアナログ電圧出力ＣＩを生成するための差動増幅器を含むことができる。このアナログ出力ＣＩは、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ３１０を使用してデジタル化することができ（図５Ａを参照されたい）、いずれかの有用な目的のためにＩＰＧにおけるコントローラ回路によって使用することができる。例えば、ＣＩは、ＩＰＧ１００にログすることができ、充電性能の履歴記録を提供することができる。ＣＩはまた、外部コントローラによって生成された充電磁場を調節する（又は終了させる）場合に使用するために、又はＩＰＧに磁場を位置合せする場合に外部充電器５０を助けるために外部充電器５０に対してテレメトリすることができる。２００９年１０月８日出願の米国特許出願番号第１２／５７５，７３３号明細書、２００９年１１月２３日出願の第１２／６２４，１６２号明細書、２０１０年５月７日出願の第６１／３３２，５５５号明細書、及び２０１０年１１月１７日出願の第６１／４１４，６１６号明細書などを参照されたい。あるいは、ＣＩは、例えば、ＣＩが閾値を超える場合に供給源１３０を無効にすることにより、充電を直接に制御するために使用することができる。しかし、充電回路１５０は、他の保護手段及びＣＩ以外のデータに頼ることができ、抵抗器１３２及び充電電流検出器１３４は、従って、回路において単に任意的である。

充電電流感知抵抗器１３２を通過した後、通常充電電流Ｉｎｏｒｍａｌは、過電圧制御信号ＯＶによって制御されるＰＭＯＳ過電圧保護トランジスタ（スイッチ）１３６に進む。過電圧制御信号ＯＶは、Ｖｂａｔを最大許容電圧Ｖｍａｘ１と比較する過電圧検出器１４２によって生成されるデジタル信号を含む。Ｖｍａｘ１は、多くの異なる方法で設計者によってプログラムすることができるが、一実施形態において、ＩＣ３００における一番上の金属層に形成された抵抗器を使用して配線接続される。Ｖｍａｘ１はまた、バッテリ２６を充電するのに使用されるいずれの基準値からも独立した電圧基準値から導出される。Ｖｍａｘ１を設定するためのこのパッシブ又は受動的かつ独立した手段は、アクティブ較正信号よりも好ましく、その理由は、アクティブ較正信号は、機能しない可能性があり、Ｖｍａｘ１に対する不適切な（及び恐らく安全でない）値をもたらすからである。Ｖｍａｘ１が独立して設定されるので、バッテリ充電に潜在的に影響を与える障害は、Ｖｍａｘ１が提供する安全な機構に同様の影響を与えることはない。一実施形態において、Ｖｍａｘ１は、使用される特定のバッテリの化学的性質によって定義することができる約４．５ボルトとすることができる。

Ｖｂａｔ＞Ｖｍａｘ１である場合に、ＯＶ故障条件は、高にアサートされ、これはスイッチ１３６を切る。このような過電圧条件は、バッテリ２６が十分に充電されていること、及び通常充電経路を通る更に別の充電が必要ないことを示唆する。スイッチ１３６を開くことは、過充電から生じる障害からバッテリ２６を保護するために望ましい。スイッチ１３６を開くことに加えて、ＯＶも、バッテリ２６を意図的にドレインするように作用し、更に後で詳しく説明する放電回路１４４を作動するのに使用される。Ｖｂａｔ＜Ｖｍａｘ１の場合に、ＯＶは低であり、スイッチ１３６が閉じられ、通常充電経路を通るバッテリ２６の充電の継続が可能になる。

通常及びトリクル充電経路の間に接続されるのがダイオード１２８である。好ましい実施では、ダイオード１２８の数は、トリクル充電経路に現れるダイオード１２６の数に等しい。ダイオード１２８は、特にＶｂａｔが既に低い時に（例えば、１．０Ｖ未満）、バッテリ２６から漏れがないようにすることを助ける。Ｖｂａｔが低い時に、Ｐチャンネルトランジスタ１３６のゲートにそれをオフにするための適切な高電圧を提供することが困難である可能性があり、従って、このトランジスタは、中間状態にある場合がある。ダイオード１２６及び１２８をその正端子で接続し、その負端子を過電圧スイッチの両側に接続し、かつダイオードの同じ数を保証することにより、この構成は、供給源上の電位及びスイッチ１３６のドレインが同じであることを保証する。これは、このスイッチからの電流の流れ、及び従って低電圧でのバッテリでの不注意なドレインを阻止する。

上述したように、隔離回路１５５は、バッテリ２６の正端子（Ｖｂａｔ）とバッテリ２６によって給電される負荷１６０との間に介在する。上述したように、負荷１６０は、ＩＣ３００内の調整器及び他の回路ブロック、マイクロコントローラ３０５、又は他の構成要素のようなＩＰＧ１００内のあらゆるアクティブ回路を含むことができる。Ｖｌｏａｄは、実際にはこのような構成要素によって使用される電源電圧を含む。

図示の例では、隔離回路１５５は、並列に接続した２つのＰチャンネルトランジスタ（スイッチ）１５２及び１５４を含む。２つのトランジスタ１５２及び１５４は、その両端の抵抗、すなわち、バッテリ２６から負荷１６０への抵抗を変えるために様々な大きさにすることが好ましい。スイッチ１５２及び１５４のいずれか又は両方は、以下に更に説明するようにその制御下にあるバッテリ２６が現在充電されているか否かに関わらず、バッテリ２６から負荷に電力を提供するために閉じることができる。バッテリ充電が行われていない時に、以下に説明する制御下にあるスイッチ１５２及び１５４は、一般的にＩＰＧ１００の通常作動中に両方が閉じられると考えられる。

スイッチ１５２及び１５４に跨がるのは過電流検出器１５６である。過電流検出器１５６は、バッテリ２６と負荷１６０の間に流れる負荷電流Ｉｌｏａｄを評価し、Ｉｌｏａｄが閾値Ｉｍａｘよりも上である時にデジタル過電流制御故障状態信号ＯＩをアサートする。過電圧検出器１４２によって使用されるＶｍａｘ１と同様に、Ｉｍａｘは、多くの異なる方法でプログラムすることができるが、好ましい実施形態では、上述したような金属抵抗器を使用して設定される。当業者は、過電流検出器１５６がスイッチ１５２及び１５４の両側における電圧の差を感知することにより、及び次にスイッチの抵抗の既知の値によってその差を割算することによってＩｌｏａｄが推測されることを理解するであろう。（この抵抗は、スイッチ１５２、１５４、又はこの両方が閉じられているか否かに応じて変わることになるが、これはシステムによって既知であり、かつ補償される。）一実施形態におけるＩｍａｘは、４００ｍＡを含むことができる。

隔離回路１５５におけるスイッチ１５２は、相対的に高い抵抗であり（例えば、約１００オーム）、デジタル不足電圧制御故障状態信号ＵＶによってゲートされる。不足電圧制御信号ＵＶは、図４Ａに更に詳しく示す不足電圧検出器１４６によって生成される。不足電圧検出器１４６は、ＵＶを出力するのにパッシブ又は受動的に作用し（すなわち、いずれの制御信号も必要としない）、これは、この回路が低バッテリ電圧レベルで確実に機能すべきであるので好ましいことに注意されたい。Ｖｂａｔが、約１．８ボルトとすることができる閾値Ｖｍｉｎ未満である時に、不足電圧検出器１４６は、不足電圧制御信号ＵＶを高にアサートする。通常は、Ｖｂａｔが適切に高い時に、ダイオード１７０及び１０Ｍオーム抵抗器１７２によって形成される電圧分割器は、Ｎチャンネルトランジスタ１７６のゲートでそれをオンにするために適切に高い電圧を形成する。これは、バッファ１７８を通じてＵＶを接地（低）にプルする。スイッチ１５２がＰチャンネルトランジスタを含むので、ＵＶに対するこの低値は、バッテリ２６を負荷１６０に結合するスイッチ１５２を閉じる。対照的に、Ｖｂａｔが低である時に（例えば、１．８Ｖ未満）、Ｎチャンネルトランジスタ１７６の入力の電圧は、そのトランジスタをオンにするほど十分には高くない。従って、ＵＶは、２０Ｍオーム抵抗器１７４を通じてＶｂａｔの適切なレベルまで浮遊し、従って、高である。ＵＶを高にアサートすることで、負荷１６０からバッテリ２６を切り離すスイッチ１５２を開く。要約すると、不足電圧検出器１４６は、Ｖｂａｔ＞Ｖｍｉｎである時にスイッチ１５２を閉じるが、Ｖｂａｔ＜Ｖｍｉｎの時にスイッチ１５２を開き、負荷１６０が既に低いバッテリ２６を更にドレインしないようにする。これは、バッテリが急速に消耗しないようにするためにＩＰＧ１００がストレージ（又は特定のストレージモード）に置かれている場合に特に有用である。

図３を参照すると、隔離回路１５５におけるスイッチ１５４は、相対的に低い抵抗であり（例えば、０．５オーム）、リセット信号ＲＳＴによってゲートされる。ＲＳＴは、不足電圧制御信号ＵＶ、過電流制御信号ＯＩ、及びデジタル制御故障状態信号μをリードスイッチ１５１から受け取るＯＲゲート１５３によって形成される。リードスイッチ１５１は、埋め込み可能医療デバイスの技術では公知であり、患者又は臨床医がＩＰＧ１００の近くに緊急停止磁石を外部から位置決めした時に、緊急にＩＰＧ１００を停止するのに使用される。リードスイッチ１５１の作動に関する更なる詳細は、例えば、２０１０年３月２６日出願の米国特許仮出願番号第６１／３１８，１９８号明細書に見出すことができる。ＯＲゲート１５３により、故障状態μ、ＵＶ、又はＯＩのいずれかのアサートは、ＲＳＴを高にし、Ｐチャンネルスイッチ１５４をオフにすることになる。

スイッチ１５２及び１５４は、体験される特定の条件に応じて負荷１６０からバッテリ２６を選択的に切り離すために互いに機能する。不足電圧条件の場合（Ｖｂａｔ＜ＶｍｉｎかつＵＶがアサートされた時）、スイッチ１５２及び１５４の両方は開かれ、負荷１６０からバッテリ２６を隔離し、負荷１６０が既に低のバッテリ２６を更にドレインしないようにする。

対照的に、過電流条件が存在する（ｏＩがアサートされた）場合、又はリードスイッチ１５１が作動されている（μがアサートされた）が、不足電圧条件がない（ＵＶがアサートされていない）場合に、バッテリ２６を負荷１６０から切り離さなければならないことを示唆する妥当な懸念が存在する。例えば、ＯＩがアサートされた場合に、負荷１６０は、多すぎる電流をドレインしており、バッテリ２６を急速にドレインする場合があり、危険なレベルまでＩＰＧ１００を過熱させる場合がある。μがアサートされた場合に、患者は、何らかの種類の未知の問題を受けており、これは、ここでもまた、ＩＰＧ１００の電源を実質的に切るためにバッテリを切り離さなくてはならいことを示す場合がある。

ＯＩ又はμのアサートによって生じた懸念にも関わらず、マイクロコントローラ３０５（図５Ｂ）のようなＩＰＧ１００におけるデジタル回路が適切な方式で機能し、かつ条件に対処することができるように、バッテリ２６と負荷１６０の間のある程度の結合を維持することが依然として望ましい。例えば、ＯＩがアサートされた場合に、ＩＰＧ１００における診断回路は、電力を評価し、かつ恐らくは過度負荷電流Ｉｌｏａｄの原因を取り除くことを要求することになる。μがアサートされた場合に、ＩＰＧを上記に引用した６１／３１８，１９８号出願の着目点である整然とした方式で停止することができるように、少なくとも短時間にわたってＩＰＧ１００を給電し続けることが依然として必要である場合がある。いずれにせよ、ＩＰＧ１００におけるマイクロコントローラ３０５がそうでなければラッチされているリセットＲＳＴを解除することを可能にするために、幾らかの電力を必要とする場合がある。

低抵抗スイッチ１５４は、これらの条件の発生時に開かれるが、高抵抗スイッチ１５２は、依然として閉じている（ここでもまた不足電圧条件ＵＶが存在しないことを仮定して）。これは、バッテリ２６と負荷１６０の間の比較的高い抵抗結合を提供する。これはＩｌｏａｄを制限するが、基本的な機能、特に処理に関する機能、及び恐らくリセット条件ＲＳＴの解除を実行することをＩＰＧ１００のデジタル回路に気付かせるために十分な電力を依然として提供する。

上述したように、放電回路１４４は、過電圧条件中にバッテリ２６を制御可能に放電するように作用する。放電回路１４４は、図４Ｂに詳しく示されており、トランジスタから形成された接地への制御可能な抵抗を含む。Ｐチャンネルトランジスタ１８０は、不足電圧信号ＵＶによってゲートされ、Ｎチャンネルトランジスタ１８２は、過電圧信号ＯＶによってゲートされる。トランジスタ１８４は、そのドレインに接続したそのゲートによってＭＯＳダイオードとして配線される。ＯＶがアサートされた時（すなわち、Ｖｂａｔ＞Ｖｍａｘ１の時）、トランジスタ１８２及び１８４は導電する。不足電圧条件がないので、ＵＶはアサートされず、これはまた、Ｐチャンネルトランジスタ１８０を導電させ、従って、バッテリから電荷を流すためにＶｂａｔと接地の間に抵抗を生成する。この方式でアクティブである時の放電回路１４４は、トリクル充電経路よりも多くの電流を引き出すことになり、パッシブトリクル充電経路をオフにできないのでこれは重要である。放電回路１４４がトリクル充電経路に比べて相対的に高い電流を引き出さなかった場合に、Ｖｂａｔは、放電する努力にも関わらず増加し続けることになる。Ｖｂａｔを接地に結合するためにアクティブである時に、トランジスタ１８０、１８２、及び１８４を通じた抵抗は約２００オームである。ダイオード接続トランジスタ１８４は、ＯＶトランジスタ１８２のドレインにおいて比較的公知である電圧を生じる。ＯＶ信号は調節され、従って、１８２のＶｇｓは、１８４にわたる降下によって判断され、それによってある程度まで放電電流を調節するフィードバック機構を作成する。放電回路１４４は、不足電圧条件中に（すなわち、Ｖｂａｔ＜Ｖｍｉｎの時に）アクティブである必要はないが、それは、不足電圧信号ＵＶを依然として受信して、放電回路がオフであり、かつ不足電圧条件中はバッテリ２６を不注意にドレインしないことを保証し、不足電圧条件中に、ＵＶは、高にアサートされ、これは、次に、接地からＶｂａｔが確実に分離されるようにトランジスタ１８０をオフにすることになる。

図６は、通常充電経路における電流／電圧供給源回路１３０を更に詳しく示している。その名前が示す通り、供給源１３０は、下記に説明するように定電流又は定電圧のいずれかを充電中にバッテリ２６に提供することができる。Ｖｄｃ（図３を参照）は、供給源１３０のための電源を含み、Ｐチャンネルトランジスタ１９０及び１９１から構成される電流ミラーを給送する。基準トランジスタ１９０には、供給源コントローラ１３１によって提供される３つの制御信号Ｉｔｒｉｍ［２：０］によって設定されるプログラマブル電流Ｉｔｒｉｍが提供される。供給源コントローラ１３１は、バッテリ管理回路ブロック２００内に存在し、上記に示すバス信号２９７を受信する。従って、マイクロコントローラ３０５は、供給源コントローラ１３１を制御して適切な制御信号を供給源１３０に提供することができる。トランジスタ１９１は、Ｍ並列配線トランジスタのネットワークを含むのが好ましく、従って、Ｉｔｒｉｍを通常充電経路におけるＭ^*Ｉｔｒｉｍの大きさに増幅するように作動する。１つの例では、Ｍは５００に等しくなる。

Ｖｂａｔは、増幅器１９４を使用して充電中に評価され、これは、Ｖｂａｔが４．０Ｖ又はその程度とすることができる閾値Ｖｔを超えた時に供給源１３０の作動をバッテリ２６の定電流充電から定電圧充電に変換するのに使用される。基準電圧Ｖｒｅｆは、増幅器１９４の非反転入力に提供され、一方、Ｖｂａｔの電圧分割バージョン（Ｖｔｒｉｍ）は、反転入力に提供される。Ｖｔｒｉｍは、５つの信号Ｖｔｒｉｍ［４：０］によって制御される可変抵抗器を使用してトリム可能であり、その同じＩｔｒｉｍ［２：０］は、供給源コントローラ１３１によって出力される。実際には、Ｖｔｒｉｍ［４：０］は、定電流と定電圧充電の間のスイッチングポイントの閾値Ｖｔを調節する。Ｖｂａｔ＜Ｖｔであることを示すＶｔｒｉｍ＜Ｖｒｅｆの時に、増幅器１９４は、Ｐチャンネルトランジスタ１９３をオフにする。これにも関わらず、電流は、電流ミラーによりトランジスタ１９３を流れ、バッテリ２６は、約Ｍ^*Ｉｔｒｉｍの定電流で充電される。

Ｖｂａｔ＞Ｖｔであることを示すＶｔｒｉｍ＞Ｖｒｅｆの時に、増幅器１９４は、トランジスタ１９３をオンにすることを開始する。しかし、Ｖｂａｔが充電中に増加するので、トランジスタ１９３の供給源も増加する。これは、時間の経過と共にトランジスタ１９３のゲート対供給源電圧を下げ、時間の経過と共にそのトランジスタを遮断する傾向がある。実際には、これらの条件の下で、電流はバッテリのインピーダンスによって制限され、トランジスタ１９３は、本質的に、定電流ではなくバッテリを充電するために定電圧を提供する。定電圧を条件とする時に、経路を通る電流は、時間の経過と共に指数的に減少することになる。

条件がバッテリ２６の定電流又は定電圧充電のいずれかを可能にするのに適切である時に、供給源１３０は、供給源コントローラ１３１によって高にアサートされた充電有効化信号（Ｃｈ_ｅｎ）によって有効にされる。有効にされた時に、Ｎチャンネルトランジスタ１９５はオンにされ、これは、基準電流Ｉｔｒｉｍが流れることを可能にする。無効にされた時に、トランジスタ１９５はオフである。従って、Ｃｈ_ｅｎが低である時に、電流は、通常充電経路を流れることができず（Ｉｎｏｒｍａｌ＝０）、供給源１３０がバッテリ２６を実質的に充電できなくする。

図７は、更に別の制御及び過充電からの保護を提供するためにＩＰＧ１００のファームウエアを使用することができる方法を示し、特に、このようなファームウエアが図６の電流／電圧供給源１３０の作動をどのように制御することができるかを示している。図７では、バッテリ電圧Ｖｂａｔに対する第２の最大電圧Ｖｍａｘ２は、過電圧保護を提供するのに使用される。このような制御は、上述したように過電圧条件（ｏＶ）中にスイッチ１３６（図３）を開くためにＶｍａｘ１によって提供されるハードウエア制御に加えられる。従って、好ましいＩＰＧ１００では、２つの最大バッテリ電圧が、充電中の制御及び保護を提供するのに使用され、Ｖｍａｘ１は、バッテリに対する隔離を提供し、Ｖｍａｘ２は、ここで以下に説明するように制御の他の手段を提供する。

図７は、過電圧制御に対して左から右にＩＰＧ１００内の回路を通るデータフローを示している。バッテリ電圧Ｖｂａｔは、ＩＣ３００におけるＡ／Ｄブロック３１０によって最初にデジタル化され（図５Ａを参照されたい）、そのデジタル化値は、次に、バス２９７によってマイクロコントローラ３０５に送信される。Ｖｍａｘ２の値は、予めＩＰＧ１００回路にプログラムされ、図のようにマイクロコントローラ３０５に対してアクセス可能である。これに関して、Ｖｍａｘ２は、マイクロコントローラ自体内部のメモリにプログラムすることができ、又はマイクロコントローラの外側のレジスタ、例えば、バス２９７に結合されたＥＥＰＲＯＭに存在することができる（図５Ａ）。これにも関わらず、マイクロコントローラ３０５は、ＶｂａｔをＶｍａｘ２と比較し、それに応じて適切な指令をバス２９７を通じてＩＣ３００に出す。特に、指令は、バッテリ管理ブロック２００内の供給源１３０に対する供給源コントローラ１３１に、及びテレメトリブロック３６０におけるＬＳＫスイッチ３６２に送信される。

Ｖｂａｔ＜Ｖｍａｘ２である時に、過電圧条件は理解されず、充電が正常に起こる。供給源１３０が有効にされ、すなわち、Ｃｈ_ｅｎ＝１であり、これは、図６に関して上述したように、供給源１３０がバッテリ２６に定電流又は定電圧充電のいずれかを提供することを可能にする。

Ｖｂａｔ＞Ｖｍａｘ２であるとマイクロコントローラ３０５が判断した場合に、バッテリ２６を保護し、かつそれが更にプログラムされないように適切な手段が取られる。この状況では、供給源１３０は無効にされ、すなわち、Ｃｈ_ｅｎが０に設定され、供給源１３０がバッテリ２６にいかなる電流も提供できないようにする。

更に、信号ＬＳＫがトリガされ、充電磁場の生成を中断するために外部充電器５０に場中断指令を送信する。この信号ＬＳＫは、固定された時間（例えば、１０秒）にわたってアサートされた交流信号（０１０１０１．．．）を含むことができる。ＬＳＫ信号は、トランジスタ３６２をトグルし、充電コイル１８の終端が接地にトグルするようにする。これは、ＩＰＧ１００における充電コイル１８と外部充電器５０における充電コイル１７’間の相互インダクタンスを変え、実際には外部充電器５０で検出可能な反射を生成する。これらの反射を受信した時に、外部充電器５０は、充電磁場の生成を中断することができ、従って、バッテリ２６が更に過充電しないように保護する。

交流信号に対する固定時間の後でかつ更に別の保護手段として、信号ＬＳＫは、別の固定された期間（例えば、５分）にわたって高にアサートすることができる。これは、場中断指令が外部充電器５０によって受信されず、かつ作用されなかった場合に、ＩＰＧ１００の充電磁場を無効にするように機能する。ＬＳＫを高にアサートすることで、トランジスタ３６２をオンにし、ＩＰＧの充電コイル１８の両端を接地する。充電コイル１８の両端が接地され、ＤＣ電圧は、充電回路のフロントエンド１４９によって生成することができず、すなわち、充電磁場が外部充電器５０によって提供されている場合でも、Ｖｄｃは、０に等しくなくてはならない。このようなＤＣ電位なしでは、通常又はトリクル充電経路のいずれも電流をバッテリ２６に提供することができない。

別の実施形態において、Ｖｂａｔに対する値も「負荷シフトキーイング」を通じて外部充電器５０にテレメトリすることができ、それによって外部充電器５０は、充電中に適切なステップを取ることができる。例えば、Ｖｂａｔが特に低い場合に、外部充電器５０は、充電処理を速めるために充電磁場の強度を上げることができる。外部充電器５０はまた、Ｖｂａｔが十分に大きい値に近づいた時に充電磁場の生成を中断することができる。例えば、外部充電器５０は、閾値Ｖｍａｘ３によってプログラムすることができる。ＩＰＧ１００からテレメトリされたＶｂａｔがＶｍａｘ３を超えた時に、外部充電器５０は、バッテリ２６が過充電にならないようにする更に別の手段として充電磁場の生成を停止することができる。

図８は、ＩＣ３００の平面図を示し、単に少数の他の回路ブロックに対するバッテリ管理回路２００の配置を示している。バッテリ管理回路２００は、ＩＣ３００における専用エリアを提供され、バッテリ管理回路２００の信頼性を改良するために保護手段が取られる。このような保護手段は、一般的には、バッテリ管理回路２００をＩＣ３００上の回路の残りから隔離し、ＩＣ３００の他の場所における信頼性の問題がバッテリ管理回路２００における信頼性の問題を生じないようにすることを目的とする。

最初に、バッテリ管理回路２００への及びこれからの信号伝達が最少に維持される。図示のように、Ｖｄｃ及びＶｂａｔ（図３に関して上述）は、ＩＣ結合パッド３３０からバッテリ管理回路２００に入る。当業者は、結合パッド３３０が、ＩＣ３００をＩＰＧ１００における他の個別の構成要素又は集積回路に電気的に接続するための接点を提供することを理解するであろう。Ｖｌｏａｄは、バッテリ管理回路２００を出て、上述したように、ＩＣ３００における回路ブロックの残り、並びにマイクロコントローラ３０５（図５Ｂ）のようなＩＣ３００の外側の他の回路に対する電源を提供する。同様に、Ｖｌｏａｄは、ＩＣ３００内に広められ、その固有の結合パッド３３０を通じてＩＣ３００の外側にポートされる。

バッテリ管理回路２００内にポートするものは、Ｉｔｒｉｍ、Ｖｔｒｉｍ、及びＣｈ_ｅｎのような供給源コントローラ１３１によって得られる信号３５０である（図６を参照）。他の信号３４０も、上述の様々な過電圧及び不足電圧又は過電流及び不足電流条件を示す様々な割り込み信号のようにバッテリ管理回路２００にポートされ、バッテリ管理回路２００からポートすることができる。バッテリ管理回路ブロック２００に及びそこからポートされる信号３４０及び３５０は、下にあるＩＣ基板に対する絶縁を最大にするためにＩＣ３００の形成において使用される金属の上部レベルでそれを行うことが好ましいが、これは厳密には必要ない。

バッテリ管理回路２００と共に使用される第２の保護手段は、ブロックへの及びブロックからの信号３４０及び３５０のＤＣ結合の阻止を含む。図示のように、減結合コンデンサが、バッテリ管理回路ブロック２００に又はそこから流れる全ての信号と共に使用される。すなわち、ブロックへの及びブロックからの信号は、ＡＣ結合され（すなわち、直流的に絶縁される）、従って、バッテリ管理ブロック２００とこのブロックの外側の回路との間のＤＣ接続はなく、これは、外側からの障害がブロック内の作動に危険な影響を与えないようにするのに望ましい。例えば、ブロック２００の外側の障害は、信号経路を通じてブロック２００にＤＣ電流を注入することはできない。これは、ブロック２００の信頼性を改善し、ブロック内のＤＣ電流を制御する重要度を考えた時に特に重要である。信号のこのようなＡＣ結合は、個別のコンデンサの使用によって示されているが、このようなキャパシタンスは、ＭＯＳトランジスタの絶縁ゲートのような他の構造を含むことができる。従って、個別のコンデンサの代わりに、例えば、このような絶縁ゲートを利用するレベルシフターを使用することができる。

バッテリ管理回路２００を隔離するように設計された第３の保護手段は、ＩＣ３００の基板における隔離エリア３２０の使用である。隔離エリア３２０は、少なくともＩＣ３００の製造に使用される最小ライン幅よりも１桁大きいとすることができる所定の幅Ｗのバッテリ管理回路２００の周りの隔離のリングを含む。アクティブ構造は、隔離エリア３２０の下にあるＩＣ基板には形成されない。幅Ｗは、バッテリ管理ブロック２００と周囲の回路との間に通常の物理的間隔よりも大きな間隔を提供し、すなわち、ＩＣ設計規則よりも大きな物理的間隔は、それ以外の異なる回路ブロック間を示すことになる。このような物理的間隔は、ＩＣの他の部分に対する機械的損傷（例えば、亀裂）が、バッテリ管理ブロック２００に悪影響を及ぼさないようにするために特に好ましい。

バッテリ管理回路２００はまた、ＩＣ３００とは別であるがそれに結合されたその独自の集積回路を含むことができることに注意すべきである。２つを分離することは、バッテリ管理回路２００の作動に影響を与えるＩＣ３００の信頼性に関する上述の問題のいくつかを軽減すると考えられる。しかし、統合が、ＩＣ３００上にバッテリ管理回路２００を含むこと、及び説明する保護手段を利用することが好ましい。更に、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）のような真に絶縁されたエリアを有する半導体処理は、同じ集積回路上でさえも完全な分離を実質的に可能にすることができる。

本発明の開示は、医療インプラントにおけるバッテリの充電を実行又は実施することができるいくつかの異なる保護手段を提供するものであるが、全てのこのような手段を所定の応用に取る必要があるわけではないことを理解しなければならない。取られる手段は、設計者の選択及び冗長保護の望ましいレベルに依存することになる。

本明細書で使用する「ダイオード」は、１つの方向の電流の流れを制限することができるあらゆるデバイスを含むものとして理解すべきであり、かつ従来的なダイオードのように作用するように配線されたトランジスタ（例えば、供給源又はドレインのうちの一方に接続されたゲートを有するＭＯＳＦＥＴ、又はコレクター又はエミッタのうちの一方にその基部が接続されたＢＪＴトランジスタ）、又はあらゆる他の適切な整流デバイスを含むことができる。

本発明の特定の実施形態を図示して説明したが、以上の説明は、本発明をこれらの実施形態に制限するものではないことを理解しなければならない。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変形及び修正を行うことができることは当業者には明らかであろう。従って、本発明は、特許請求の範囲によって定められる本発明の精神及び範囲に入ると考えられる代替物、修正物、及び均等物を網羅するように意図している。

１７’、１８ コイル
５０ 外部充電器
１１０ 埋め込み可能パルス発生器
１３０ 電流／電圧供給源
２００ バッテリ管理回路

Claims (16)

1. 埋め込み可能医療デバイスのための回路であって、
   入力電圧により給電され、バッテリをバッテリの端子ノードで充電する電力を生成するための供給源、及び、生成された電力を前記バッテリの端子ノードにゲートするための過電圧スイッチであって、バッテリ過電圧信号がアサートされた場合に開かれる前記過電圧スイッチ、を含む第１の充電経路と、
   少なくとも１つの第１の１つのダイオードによって前記バッテリの端子ノードに結合し、前記入力電圧を用いて前記バッテリを受動的に充電するための第２の充電経路と、
   前記バッテリの端子ノードと前記埋め込み可能医療デバイス内の負荷との間に結合され、少なくともバッテリ不足電圧信号がアサートされた場合に開かれる少なくとも１つの負荷スイッチと、
   を含むことを特徴とする回路。
2. 集積回路上に統合されたことを特徴とする請求項１に記載の回路。
3. 前記供給源によって生成可能な前記電力は、定電流、又は定電圧、又は両方であることを特徴とする請求項１に記載の回路。
4. 前記バッテリの端子ノードと前記負荷との間に並列に結合された第１及び第２の負荷スイッチが存在することを特徴とする請求項１に記載の回路。
5. 前記第１の負荷スイッチは、前記バッテリ不足電圧信号がアサートされた場合に開かれ、
   前記第２の負荷スイッチは、前記バッテリ不足電圧信号又は過電流信号のいずれかがアサートされた場合に開かれる、
   ことを特徴とする請求項４に記載の回路。
6. 前記少なくとも１つの負荷スイッチを通る電流が閾値を超えた場合に前記過電流信号をアサートするための過電流検出器を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の回路。
7. 前記第１の負荷スイッチの抵抗が、前記第２の負荷スイッチの抵抗よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の回路。
8. 前記第２の負荷スイッチは、更に、磁場検出信号がアサートされた場合に開かれることを特徴とする請求項５に記載の回路。
9. 前記第１及び第２の充電経路の間に少なくとも１つの第２のダイオードを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の回路。
10. 前記少なくとも１つの第１のダイオード及び前記少なくとも１つの第２のダイオードは、それらの正端子で接続され、それらの負端子が、前記過電圧スイッチの両側に結合されている、
    ことを特徴とする請求項９に記載の回路。
11. 第１のダイオードの数及び第２のダイオードの数が、同じであることを特徴とする請求項１０に記載の回路。
12. 前記入力電圧を生成するためのコイル及び整流器回路を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の回路。
13. 前記整流器回路と前記入力電圧との間にダイオードを更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の回路。
14. 前記バッテリの端子ノードを受け入れるための及び該バッテリの端子ノードでの電圧が閾値未満に降下した時に前記バッテリ不足電圧信号をアサートするための不足電圧検出器を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の回路。
15. 前記不足電圧検出器はパッシブであり、かつ前記バッテリ不足電圧信号をアサートするいずれの制御信号も必要としないことを特徴とする請求項１４に記載の回路。
16. 前記バッテリの端子ノード，前記バッテリ過電圧信号，及び前記バッテリ不足電圧信号を受け入れるための放電回路を更に含み、
    前記放電回路は、前記バッテリ過電圧信号がアサートされた時に前記バッテリの端子ノードを接地に結合するが、該放電回路は、前記バッテリ不足電圧信号がアサートされた時に該バッテリの端子ノードを接地から切り離す、
    ことを特徴とする請求項１に記載の回路。

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