KR102144438B1

KR102144438B1 - 전자약 애플리케이션들에 대한 양방향 스위칭 조절기

Info

Publication number: KR102144438B1
Application number: KR1020197006652A
Authority: KR
Inventors: 종리트 럴드워라타위; 천레이 시
Original assignee: 퀄컴 인코포레이티드
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2020-08-13
Also published as: JP2019528863A; US10058706B2; BR112019003905A2; CN109661253A; EP3509690A1; US20180071535A1; EP3509690B1; WO2018048581A1; KR20190050782A

Abstract

특정한 양상들에서, 전기 자극을 제공하기 위한 방법은, 전극을 충전시키기 위해 배터리로부터 전극으로 에너지를 전달하는 단계, 및 전극이 충전된 이후, 배터리를 방전시키기 위해 전극으로부터 배터리로 에너지를 전달하는 단계를 포함한다. 전극으로부터 배터리로 전달된 에너지는 배터리로부터 전극으로 전달된 에너지의 일부를 포함할 수 있다.

Description

전자약 애플리케이션들에 대한 양방향 스위칭 조절기

[0001] 본 출원은 2016년 9월 9일자로 미국 특허 및 상표청에 출원된 정규 출원 제 15/261,695호를 우선권으로 그리고 그의 이점을 주장하며, 그 정규 출원의 전체 내용들은, 그의 전체가 아래에서 완전히 기재된 것처럼 그리고 모든 적용가능한 목적들을 위해 본 명세서에 인용에 의해 포함된다.

[0002] 본 개시내용의 양상들은 일반적으로 스위칭 조절기들에 관한 것으로, 더 상세하게는 전자약(electroceutical) 애플리케이션들에 대한 양방향 스위칭 조절기들에 관한 것이다.

[0003] 전자약 디바이스는 환자에게 이식(implant)되어, 환자의 질병 및/또는 장애를 치료하기 위해 환자의 신경들에 전기 자극을 제공할 수 있다. 이와 관련하여, 디바이스(또한, 신경 이식물 또는 이식 디바이스로 지칭됨)는 신경들에 전기 자극을 제공하도록 충전되는 전극을 포함할 수 있다.

[0004] 다음은, 하나 이상의 실시예들의 기본적인 이해를 제공하기 위해 그러한 실시예들의 간략화된 요약을 제시한다. 이러한 요약은 모든 고려된 실시예들의 포괄적인 개관이 아니며, 모든 실시예들의 핵심 또는 중요 엘리먼트들을 식별하거나 임의의 또는 모든 실시예들의 범위를 서술하도록 의도되지 않는다. 이러한 요약의 유일한 목적은, 이후에 제시되는 더 상세한 설명에 대한 서론으로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 몇몇 개념들을 제시하는 것이다.

[0005] 제1 양상은 디바이스에 관한 것이다. 디바이스는, 배터리, 전극, 및 배터리에 커플링된 제1 단자 및 전극에 커플링된 제2 단자를 갖는 스위칭 조절기를 포함한다. 디바이스는 또한, 전극을 충전 및 방전시키기 위해 스위칭 조절기를 동작시키도록 구성된 제어기를 포함하며, 여기서, 전극을 충전시키기 위해, 제어기는 배터리로부터 전극으로 에너지를 전달하도록 스위칭 조절기를 동작시키고, 그리고 전극을 방전시키기 위해, 제어기는 전극으로부터 배터리로 에너지를 전달하도록 스위칭 조절기를 동작시킨다.

[0006] 제2 양상은 전기 자극을 제공하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은, 전극을 충전시키기 위해 배터리로부터 전극으로 에너지를 전달하는 단계, 및 전극이 충전된 이후, 전극을 방전시키기 위해 전극으로부터 배터리로 에너지를 전달하는 단계를 포함한다.

[0007] 제3 양상은 전기 자극을 제공하기 위한 장치에 관한 것이다. 장치는, 전극을 충전시키기 위해 배터리로부터 전극으로 에너지를 전달하기 위한 수단, 및 전극이 충전된 이후, 전극을 방전시키기 위해 전극으로부터 배터리로 에너지를 전달하기 위한 수단을 포함한다.

[0008] 전술한 그리고 관련된 목적들의 달성을 위해, 하나 이상의 실시예들은, 이하에서 완전히 설명되고 특히, 청구항들에서 지적된 특성들을 포함한다. 다음의 설명 및 첨부된 도면들은, 하나 이상의 실시예들의 특정한 예시적인 양상들을 상세히 기재한다. 그러나, 이들 양상들은, 다양한 실시예들의 원리들이 이용될 수 있는 다양한 방식들 중 단지 몇몇만을 표시하며, 설명된 실시예들은 모든 그러한 양상들 및 그들의 등가물들을 포함하도록 의도된다.

[0009] 도 1은 전자약 디바이스의 일 예를 도시한다.
[0010] 도 2는 본 개시내용의 특정한 양상들에 따른, 양방향 스위칭 조절기를 포함하는 예시적인 전자약 디바이스를 도시한다.
[0011] 도 3a는 본 개시내용의 특정한 양상들에 따른, 전극의 충전 동안의 스위칭 조절기의 예시적인 출력 전압을 도시한다.
[0012] 도 3b는 전극의 충전 동안의 고정된 배터리 전압의 일 예를 도시한다.
[0013] 도 4는 본 개시내용의 특정한 양상들에 따른, 전기 자극 동작 동안의 전극의 전압을 도시한다.
[0014] 도 5는 본 개시내용의 특정한 양상들에 따른, 양방향 스위칭 조절기를 포함하는 전자약 디바이스의 다른 예를 도시한다.
[0015] 도 6은 본 개시내용의 특정한 양상들에 따른 예시적인 히스테리시스 피드백 제어의 일 예를 예시한 타이밍 다이어그램이다.
[0016] 도 7은 본 개시내용의 특정한 양상들에 따른, 무선 충전 코일을 포함하는 전자약 디바이스의 일 예를 도시한다.
[0017] 도 8은 본 개시내용의 특정한 양상들에 따른, 무선 충전 코일에 대한 인터페이스 회로의 예시적인 구현을 도시한다.
[0018] 도 9는 본 개시내용의 특정한 양상들에 따른, 배터리로의 전류 흐름 및 배터리로부터의 전류 흐름을 조절하기 위한 전류 소스를 포함하는 전자약 디바이스의 일 예를 도시한다.
[0019] 도 10은 본 개시내용의 특정한 양상들에 따른, 전기 자극을 제공하기 위한 방법을 도시한 흐름도이다.

[0020] 첨부된 도면들과 관련하여 아래에 기재된 상세한 설명은 다양한 구성들의 설명으로서 의도되며, 본 명세서에 설명된 개념들이 실시될 수 있는 유일한 구성들을 표현하도록 의도되지 않는다. 상세한 설명은 다양한 개념들의 완전한 이해를 제공하려는 목적을 위한 특정한 세부사항들을 포함한다. 그러나, 이들 개념들이 이들 특정한 세부사항들 없이도 실시될 수 있다는 것이 당업자들에게는 명백할 것이다. 몇몇 예시들에서, 잘 알려진 구조들 및 컴포넌트들은 그러한 개념들을 불명료하게 하는 것을 방지하기 위해 블록 다이어그램 형태로 도시된다.

[0021] 전자약 디바이스는 환자에게 이식되어, 환자의 질병 및/또는 장애를 치료하기 위해 환자의 신경들에 전기 자극을 제공할 수 있다. 이와 관련하여, 디바이스(또한, 신경 이식물 또는 이식 디바이스로 지칭됨)는 신경들에 전기 자극을 제공하도록 충전되는 전극을 포함할 수 있다.

[0022] 도 1은 전자약 디바이스(100)의 일 예를 도시한다. 전자약 디바이스(100)는 전극(110), 배터리(115), 전류 소스(120), 및 스위치들(122, 124, 126 및 128)을 포함한다. 전극(110)은 도 1에 도시된 바와 같이, 저항기(R) 및 커패시터(C)를 직렬로 포함하는 RC 회로로서 전기적으로 모델링될 수 있다. 배터리(110)는 디바이스(110)에 대해 대략적으로 고정된 전압(Vbatt)을 제공하며, 전류 소스(120)는 대략적으로 일정한 전류를 전극(110)에 제공하기 위해 전극(110)에 대한 전류 흐름을 조절하도록 구성된다.

[0023] 신경들에 전기 자극을 제공하기 위해, 전극(110)은 충전 및 방전된다. 전극(110)이 RC 회로로서 모델링되므로, 전기 자극은 RC 회로를 충전 및 방전하는 프로세스로서 보여질 수 있다. 전극(110)을 충전시키기 위해, 스위치들(122 및 128)은 폐쇄(턴 온)되고 스위치들(124 및 126)은 개방(턴 오프)된다. 이것은 배터리(115)가 전극(110)을 충전시키게 허용하며, 여기서, 전류 소스(120)는, 전극(110)에 대한 전류가 대략적으로 일정하도록 전극(110)에 대한 전류 흐름을 조절한다. 전극(110)을 방전시키기 위해, 스위치들(124 및 126)은 폐쇄(턴 온)되고 스위치들(122 및 128)은 개방(턴 오프)된다. 이것은 전극(110)에서의 전류 방향을 반전시켜, 전극(110)이 방전되게 한다.

[0024] 도 1에 도시된 전자약 디바이스(100)는 디바이스(100)의 에너지 효율에 악영향을 주는 수개의 단점들을 갖는다. 하나의 단점은 전류 소스(120) 양단에 큰 오버헤드 전압이 존재하여, 많은 양의 낭비된 에너지를 초래한다는 것이다. 이것은, 배터리(115)의 전압(Vbatt)이 고정되며, 전극(110)의 전체 전압 범위를 수용하기 위해 커질 필요가 있기 때문이다. 그 결과, (예컨대, 충전 시작 시에) 전극(110)의 전압(Ve)이 작은 경우, 큰 오버헤드 전압이 전류 소스(120) 양단에서 발생하여, 많은 양의 낭비된 에너지를 초래한다. 제2 단점은, 충전 이후에 전극(110)의 커패시터(C)에 저장된 에너지가 배터리(115)로 다시 재순환되는 대신 방전 동안 접지로 덤핑(dump)된다는 것이다. 그 결과,, 커패시터(C)에 저장된 에너지가 낭비된다.

[0025] 따라서, 에너지 효율을 개선시키고, 그에 따라 전자약 디바이스의 배터리 수명을 연장시키기 위해 위에서 논의된 단점들 중 하나 이상을 해결하기 위한 필요성이 존재한다.

[0026] 아래의 도 2는 본 개시내용의 특정한 양상들에 따른 전자약 디바이스(200)를 도시한다. 전자약 디바이스(200)는, 전극(210), 배터리(218), 양방향 스위칭 조절기(220), 양방향 전류 소스(240), 단자 커패시터(Cterm), 제어기(250)를 포함한다. 스위칭 조절기(220)는 배터리(218)에 커플링된 제1 단자(230) 및 양방향 전류 소스(240)에 커플링된 제2 단자(235)를 갖는다. 양방향 전류 소스(240)는 스위칭 조절기(220)의 제2 단자(235)와 전극(210) 사이에 커플링된다. 단자 커패시터(Cterm)는 스위칭 조절기(220)의 제2 단자(235)와 접지 사이에 커플링된다.

[0027] 도 2의 예에서, 전극(210)은 저항기(R) 및 커패시터(C)를 직렬로 포함하는 RC 회로로서 전기적으로 모델링되며, 여기서, 저항기(R)는 전극(210)의 저항을 모델링하고, 커패시터(C)는 전극(210)의 커패시턴스를 모델링한다. 전극(210)은 양방향 전류 소스(240)에 커플링된 제1 단자(212) 및 커패시터(265)에 커플링된 제2 단자(214)를 갖는다. 커패시터(265)는 Vm의 전압으로 미리-충전된다. 따라서, 전극(210)의 제2 단자(214)에서의 전압은 Vm으로 셋팅된다. 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 이것은 전극(210)이 음의 전압을 요구하지 않으면서 방전되게 허용한다.

[0028] 도 2에 도시된 예에서, 스위칭 조절기(220)는 넓은 입력/출력 전압 범위를 커버하기 위해 양방향 벅-부스트(buck-boost) 변환기를 이용하여 구현된다. 벅-부스트 변환기는, 벅-부스트 변환기가 어느 하나의 방향으로(즉, 제1 단자(230)로부터 제2 단자(235)로 또는 제2 단자(235)로부터 제1 단자(230)로) 에너지를 전달할 수 있다는 점에서 양방향이다. 주어진 입력 전압에 대해, 벅-부스트 변환기는 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 입력 전압보다 큰 출력 전압을 생성하기 위해 입력 전압을 부스팅하거나 또는 입력 전압보다 작은 출력 전압을 생성하기 위해 입력 전압을 벅킹(buck)할 수 있다. 따라서, 벅-부스트 변환기의 출력 전압 범위는 입력 전압보다 큰 출력 전압들 및 입력 전압보다 작은 출력 전압들을 커버한다.

[0029] 도 2의 예에서, 스위칭 조절기(220)는 인덕터(L), 제1 스위치(222), 제2 스위치(224), 제3 스위치(226), 및 제4 스위치(228)를 포함한다. 제1 스위치(222)는 스위칭 조절기(220)의 제1 단자(230)와 인덕터(L)의 제1 단자(225) 사이에 커플링된다. 제2 스위치(224)는 인덕터(L)의 제1 단자(225)와 접지 사이에 커플링된다. 제3 스위치(226)는 스위칭 조절기(220)의 제2 단자(235)와 인덕터(L)의 제2 단자(227) 사이에 커플링된다. 마지막으로, 제4 스위치(228)는 인덕터(L)의 제2 단자(227)와 접지 사이에 커플링된다. 제어기(250)는 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 스위치들(222, 224, 226 및 228)의 온/오프 상태들을 제어함으로써 스위칭 조절기(220)의 동작을 제어한다. 예시의 용이함을 위해, 제어기(250)와 스위치들(222, 224, 226 및 228) 사이의 개별 연결들은 도 2에 도시되지 않는다. 스위치들(222, 224, 226 및 228)은 n-타입 전계 효과 트랜지스터(NFET) 스위치들, p-타입 전계 효과 트랜지스터(PFET) 스위치들, 또는 이들의 조합을 이용하여 구현될 수 있다.

[0030] 양방향 전류 소스(240)는 제어기(250)의 제어 하에서 어느 하나의 방향으로 대략적으로 일정한 전류를 제공하도록 구성된다. 이와 관련하여, 양방향 전류 소스(240)는 전극(210)을 충전시키기 위해 대략적으로 일정한 전류를 제공하도록 구성된 제1 전류 소스(242), 및 전극(210)을 방전시키기 위해 대략적으로 일정한 전류를 제공하도록 구성된 제2 전류 소스(244)를 포함한다. 전류 소스들 각각은 전류 미러 또는 다른 타입의 회로를 이용하여 구현될 수 있다. 동작 시에, 제어기(250)는 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 한번에 하나씩 전류 소스들(242 및 244) 중 하나를 활성화시킨다. 예시의 용이함을 위해, 제어기(250)와 전류 소스들(242 및 244) 사이의 개별 연결들은 도 2에 도시되지 않는다.

[0031] 전자약 디바이스(200)는 전극(210)을 충전 및 방전시킴으로써 신경들에 전기 자극을 제공한다. 이와 관련하여, 충전 동작, 이어서 방전 동작이 특정한 양상들에 따라 아래에서 더 상세히 논의된다.

[0032] 전극(210)을 충전시키기 위해, 제어기(250)는 전류 흐름의 방향이 전극(210)을 향하도록 제1 전류 소스(242)를 활성화시키고 제2 전류 소스(244)를 비활성화시킨다 이어서, 제어기(250)는 다수의 스위칭 사이클들에 걸쳐 스위치들(222, 224, 226 및 228)을 스위칭 온/오프시킨다. 각각의 스위칭 사이클은 제1 페이즈(

) 및 제2 페이즈(

)을 포함한다.

[0033] 각각의 사이클의 제1 페이즈(

) 동안, 제어기(250)는 스위치들(222 및 228)을 폐쇄(턴 온)시키고, 스위치들(224 및 226)을 개방(턴 오프)시킨다. 그 결과, 인덕터(L)의 제1 단자(225)는 배터리(218)에 커플링되고, 인덕터(L)의 제2 단자(227)는 접지에 커플링된다. 이것은 배터리(218)가 인덕터(L)를 에너자이징(energize)시키게 허용한다.

[0034] 각각의 사이클의 제2 페이즈(

) 동안, 제어기(250)는 스위치들(224 및 226)을 폐쇄(턴 온)시키고, 스위치들(222 및 228)을 개방(턴 오프)시킨다. 그 결과, 인덕터(L)의 제1 단자(225)는 접지에 커플링되고, 인덕터(L)의 제2 단자(227)는 단자 커패시터(Cterm)에 커플링된다. 이것은 스위칭 조절기(220)로 하여금 인덕터(L)의 에너지를 단자 커패시터(Cterm)로 덤핑시키게 한다. 이어서, 에너지는 단자 커패시터(Cterm)로부터 전극(210)으로 제1 전류 소스(242)를 통해 흐른다. 따라서, 충전 동안, 스위칭 조절기(220)는 제1 단자(230)로부터 제2 단자(235)로 에너지를 전달한다. 단자 커패시터(Cterm)는, 인덕터(L)가 제2 단자(235)로부터 디커플링되는 경우 각각의 스위칭 사이클의 제1 페이즈(

) 동안, 스위칭 조절기(220)의 제2 단자(235)에서 전압(Vbb)을 유지하는 것을 돕는다.

[0035] 제1 전류 소스(242)는, 대략적으로 일정한 전류가 전극(210)으로 흐르도록 전극(210)에 대한 전류 흐름을 조절한다. 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 대략적으로 일정한 전류는 전극(210)의 커패시터(C)가 충전의 지속기간을 제어함으로써 정밀하게 충전되게 허용한다.

[0036] 스위칭 조절기(220)는 많은 스위칭 사이클들(예컨대, 100s 또는 1000s의 사이클들)에 걸쳐 전극(210)의 커패시터(C)를 충전시킬 수 있다. 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 제어기(250)는, 전극(210)의 충전 동안 스위칭 사이클들의 제1 및 제2 페이즈들(

및

)의 지속기간들을 동적으로 조정함으로써 전극(210)의 충전 동안 스위칭 조절기(220)의 제2 단자(235)에서의 전압(Vbb)을 조정할 수 있다. 예컨대, 스위칭 조절기(220)는, 페이즈들(

및

)의 지속기간들의 합에 대한 제1 페이즈(

)의 지속기간으로서 정의될 수 있는 듀티 사이클을 가질 수 있다. 이러한 예에서, 제어기(250)는, 스위칭 조절기(220)의 듀티 사이클을 증가시킴으로써 전압(Vbb)을 증가시키고, 스위칭 조절기(220)의 듀티 사이클을 감소시킴으로써 전압(Vbb)을 감소시킬 수 있다. 스위칭 조절기(220)가 벅-부스트 변환기를 이용하여 구현되는 도 2에 도시된 예에서, 스위칭 조절기(220)는 입력 전압 초과 및 미만의 전압 레벨들로 전압(Vbb)을 조정할 수 있다. 예컨대, 스위칭 조절기(220)는 50%보다 크게 듀티 사이클에 대한 입력 전압을 부스팅시키고, 50%보다 작게 듀티 사이클에 대한 입력 전압을 벅킹시킬 수 있다.

[0037] 전극(210)으로의 전류 흐름이 제1 전류 소스(242)로 인해 대략적으로 일정하므로, 커패시터(C) 양단의 전압은 충전 동안 선형적으로 증가(램핑 업(ramp up))한다. 이것의 일 예는, 충전 동안의 전극(210)의 단자(212)에서의 전압(Ve)을도시하는 도 3a에 도시된다. 충전의 시작 시에, 전압(Ve)은 전극(210)의 저항기(R) 양단에서 Vm 더하기 IR 전압 드롭과 대략적으로 동일하다. IR 전압 드롭은, 제1 전류 소스(242)에 의해 제공된 대략적으로 일정한 전류(도 3a에서 "I"로 도시됨) 때문에 충전 동안 대략적으로 일정하게 유지된다. 커패시터(C)가 충전될 때, 커패시터 양단의 전압(도 3a에서 "Vc"로 도시됨)은 선형적으로 증가(램핑 업)한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 이것은 전극의 단자(212)에서의 전압(Ve)으로 하여금 또한 선형적으로 증가(램핑 업)하게 한다.

[0038] 충전 동안, 제어기(250)는 제1 전류 소스(242) 양단의 오버헤드 전압을 낮게(예컨대, 제1 전류 소스(242)가 적절하게 동작하는 데 필요한 최소 오버헤드 전압에 가깝게) 유지하기 위해 (예컨대, 스위칭 조절기(220)의 듀티 사이클을 조정함으로써) 스위칭 조절기(220)의 제2 단자(235)에서의 전압(Vbb)을 동적으로 조정할 수 있다. 이것은 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 도 1의 디바이스(100)와 비교하여, 낭비된 에너지의 양을 실질적으로 감소시킨다.

[0039] 도 3a는, 제어기(250)가 충전 동안 전극(210)의 전압(Ve)의 증가를 추적하기 위해 전압(Vbb)을 조정하는 일 예를 도시한다. 예컨대, 제어기(250)는 도 3a에 도시된 바와 같이, 작은 전압 마진(△V) 만큼 Vbb를 Ve 초과로 유지하기 위해 Ve와 대략적으로 동일한 레이트로 Vbb를 증가(예컨대, 램핑 업)시킬 수 있다. 전압 마진(△V)은, 제1 전류 소스(242)가 적절하게 동작하기에 단지 충분한 오버헤드 전압을 제1 전류 소스(242) 양단에 제공하는 전압으로 셋팅될 수 있다. 제1 전류 소스(242) 양단의 오버헤드 전압을 낮게 유지함으로써, 오버헤드 전압으로 인한 낭비된 에너지의 양은, 배터리(115)가 스위칭 조절기 없이 전극(110)에 직접 커플링되는 도 1의 디바이스(100)와 비교하여 실질적으로 감소된다.

[0040] 이것은, 배터리(218)가 스위칭 조절기(220) 없이 제1 전류 소스(242)에 직접 커플링되는 경우에 대한 배터리(218)의 전압(Vbatt)을 도시하는 도 3b를 참조하여 설명될 수 있다. 이러한 경우, 배터리(218)의 전압(Vbatt)은 전극(210)의 전압 범위를 수용하기 위해 전극(210)의 최대 전압 초과일 필요가 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 전압 마진(△V)은 충전의 시작 시에 커서, 제1 전류 소스(242) 양단에서 큰 오버헤드 전압을 초래한다. 큰 오버헤드 전압은 도 3a와 비교하여 훨씬 더 많은 양의 낭비된 에너지를 유발한다.

[0041] 도 1의 전자약 디바이스(100)와 달리, 도 2의 전자약 디바이스(200)는 배터리 전압(Vbatt)이 전극(210)의 최대 전압 초과이도록 요구하지 않는다. 이것은, 전극(210)을 충전시킬 필요가 있다면, (도 2의 벅-부스트 변환기를 이용하여 구현된) 스위칭 조절기(220)가 배터리 전압(Vbatt)을 부스팅시킬 수 있기 때문이다.

[0042] 전극(210)을 방전시키기 위해, 제어기(250)는 전류 흐름의 방향이 전극(210)으로부터 멀어지도록 제2 전류 소스(244)를 활성화시키고 제1 전류 소스(242)를 비활성화시킨다 제2 전류 소스(244)는 방전 전류가 대략적으로 일정하도록 방전 전류를 조절한다. 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 이것은 커패시터(C)가 방전의 지속기간을 제어함으로써 정밀하게 방전되게 허용한다.

[0043] 이어서, 제어기(250)는 다수의 스위칭 사이클들에 걸쳐 스위치들(222, 224, 226 및 228)을 스위칭 온/오프시킨다. 각각의 스위칭 사이클은 제1 페이즈(

) 및 제2 페이즈(

)을 포함한다. 각각의 사이클의 제1 페이즈(

) 동안, 제어기(250)는 스위치들(224 및 226)을 폐쇄(턴 온)시키고, 스위치들(222 및 228)을 개방(턴 오프)시킨다. 그 결과, 인덕터(L)의 제1 단자(225)는 접지에 커플링되고, 인덕터(L)의 제2 단자(227)는 단자 커패시터(Cterm)에 커플링된다. 이것은 에너지로 하여금 전극(210)으로부터 인덕터(L)로 전달되게 한다. 각각의 사이클의 제2 페이즈(

) 동안, 제어기(250)는 스위치들(222 및 228)을 폐쇄(턴 온)시키고, 스위치들(224 및 226)을 개방(턴 오프)시킨다. 그 결과, 인덕터(L)의 제1 단자(225)는 배터리(218)에 커플링되고, 인덕터(L)의 제2 단자(227)는 접지에 커플링된다. 이것은 스위칭 조절기(220)로 하여금 인덕터(L)의 에너지를 배터리(218)로 덤핑시키게 한다. 따라서, 전극(210)의 커패시터(C)에 저장된 에너지의 일부는 배터리(218)로 다시 재순환되고, 그에 의해 에너지 효율을 개선시킨다. 커패시터(C)에 저장된 에너지의 일부가 저항기(R)를 통해 손실됨을 유의한다.

[0044] 스위칭 조절기(220)는 많은 스위칭 사이클들(예컨대, 100s 또는 1000s의 사이클들)에 걸쳐 전극(210)의 커패시터(C)를 방전시킬 수 있다. 따라서, 방전 동안, 스위칭 조절기(220)는 제2 단자(235)로부터 제1 단자(230)로 에너지를 전달한다(즉, 충전을 위한 에너지 흐름의 방향에 비해 에너지의 흐름의 방향을 반전시킴).

[0045] 전극(210) 밖으로의 전류 흐름이 제2 전류 소스(244)로 인해 대략적으로 일정하므로, 커패시터(C) 양단의 전압은 방전 동안 선형적으로 감소한다. 방전 동안, 제어기(250)는, 전압(Vbb)이 전압 마진(△V)만큼 전압(Ve) 미만으로 유지되도록 (예컨대, 스위칭 조절기(220)의 듀티 사이클을 조정함으로써) 전압(Vbb)을 조정할 수 있다. 전류 흐름의 방향이 충전에 비해 반전되기 때문에, Vbb가 방전을 위해 Ve 미만임을 유의한다. 전압 마진(△V)은, 제2 전류 소스(244)가 적절하게 동작하기에 단지 충분한 오버헤드 전압을 제공하는 전압으로 셋팅될 수 있다.

[0046] 특정한 양상들에서, 커패시터(C) 양단의 전압이 대략적으로 제로가 될 때까지(즉, 커패시터(C)의 단자(216)에서의 전압이 커패시터(C)의 단자(214)에서의 전압(Vm)과 대략적으로 동일할 때까지) 제어기(250)는 전극(215)을 방전시킬 수 있다. 이것은, 전기 자극 동작이 대략적으로 커패시터(C) 상의 전하의 어떠한 순(net) 누적도 초래하지 않도록 이루어질 수 있다. 단자(216)가 전압(Vm)에 도달할 때까지 커패시터(C)를 방전시키기 위해, 제어기(250)는, 전압(Vbb)이 Vm - (IR+△V)에 대략적으로 동일한 전압에 도달할 때까지 스위칭 조절기(220)의 제2 단자(235)에서의 전압(Vbb)을 감소시킬 수 있으며, 여기서, IR은 저항기(R) 양단의 전압 드롭이다. 커패시터(C)의 단자(214)에서의 전압(Vm)은 전압(Vbb)을 음이 되도록 요구하지 않으면서 스위칭 조절기(220)가 커패시터(C)를 방전시키게 허용한다. 반대로, 커패시터(C)의 단자(214)가 접지에 커플링되었다면, 전압(Vbb)은 커패시터(C)를 방전시키기 위해 음이 될 필요가 있을 것이다.

[0047] 도 4는 자극 동작 동안의 전극(210)의 전압(Ve)의 일 예를 도시한다. 충전 동안, 전극(210)의 전압(Ve)은 Vm+(Vc+IR)과 대략적으로 동일할 수 있으며, 여기서, IR은 저항기 양단의 전압 드롭이고 Vc는 커패시터(C) 양단의 전압이다. 도 4에 도시된 바와 같이, IR은 제1 전류 소스(242)에 의해 제공된 일정한 충전 전류로 인해 대략적으로 일정하며, Vc는 선형적으로 증가(램핑 업)한다. 충전 동안, 제어기(250)는 위에서 논의된 바와 같이, 제1 전류 소스(242)가 적절하게 동작하기에 충분한 오버헤드 전압을 제공하기 위해 Vbb(도 4에 도시되지 않음)를 Ve 초과로 단지 충분히 높게 유지하도록 Vbb를 조정할 수 있다. 예컨대, 제어기(250)는, 전압 마진 만큼 Vbb를 Ve 초과로 유지하기 위해 Ve와 대략적으로 동일한 레이트로 Vbb를 램핑 업시킬 수 있다.

[0048] 방전 동안, 전극(210)의 전압(Ve)은 Vm+(Vc-IR)과 대략적으로 동일할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 커패시터(C) 양단의 전압은 제2 전류 소스(244)에 의해 제공되는 대략적으로 일정한 방전 전류로 인해 선형적으로 감소(램핑 다운)한다. 부가적으로, 저항기 양단의 IR 전압 드롭은, 방전을 위해 전류 흐름의 방향이 반전되므로 극성을 변경시킨다. 방전 동안, 제어기(250)는 위에서 논의된 바와 같이, 제2 전류 소스(244)가 적절하게 동작하기에 충분한 오버헤드 전압을 제공하기 위해 Vbb(도 4에 도시되지 않음)를 Ve 미만으로 단지 충분히 낮게 유지하도록 Vbb를 조정할 수 있다.

[0049] 위에서 논의된 바와 같이, 전극(210)의 충전 및 방전은, 전기 자극 동작이 대략적으로 커패시터(C) 상의 전하의 어떠한 순 누적도 초래하지 않도록 밸런싱될 수 있다. 제1 및 제2 전류 소스들(242 및 244)이 대략적으로 일정한 전류를 제공하도록 구성되면, 이것은 충전의 지속기간이 방전의 지속기간과 대략적으로 동일하게 함으로써 달성될 수 있다. 예컨대, 전기 자극 동작의 지속기간이 "T"로 도시되면, 충전의 지속기간은 대략적으로 T/2이고 방전의 지속기간은 대략적으로 T/2이며, 이들의 일 예는 도 4에 도시된다.

[0050] 위에서 논의된 바와 같이 스위칭 조절기(220)는 많은 스위칭 사이클들(예컨대, 100s 또는 1000s의 사이클들)에 걸쳐 전극(210)을 충전 및 방전시킬 수 있다. 예컨대, 제어기(250)는 MHz 범위의 주파수로 스위치들(222, 224, 226 및 228)을 스위칭할 수 있으며, 이러한 경우, 각각의 스위칭 사이클은 약 수 마이크로초 이하일 수 있다. 이러한 예에서, 전기 자극 동작의 지속기간(T)은 약 100s의 마이크로초 또는 밀리초일 수 있다.

[0051] 따라서, 특정한 실시예들에서, 제어기(250)는, 제1 전류 소스(242)가 적절하게 동작하기 위해 Vbb를 전극(210)의 전압(Ve) 초과로 단지 충분히 높게 유지하도록 스위칭 조절기(220)의 제2 단자(235)에서의 전압(Vbb)을 조정할 수 있다. 이것은 충전 동안 전류 소스 양단의 오버헤드 전압을 실질적으로 감소시키고, 그에 의해 에너지 효율을 개선시킨다.

[0052] 특정한 실시예들에서, 제어기(250)는 전극(210)의 방전 동안, 전극(210)에 저장된 에너지의 일부를 배터리(218)로 다시 전달하도록 전압 제어기(250)를 동작시킬 수 있다. 따라서, 전극(210)에 저장된 에너지의 일부는 배터리(218)로 다시 재순환되고, 그에 의해 에너지 효율을 개선시킨다. 반대로, 도 1의 디바이스(100)에서, 전극(110)에 저장된 에너지 모두는 접지로 덤핑되고, 따라서 낭비된다.

[0053] 특정한 양상들에서, 제어기(250)는 제2 단자(235)에서의 전압(Vbb)을 감지하고, 감지된 전압에 기반하여 전압(Vbb)을 조정할 수 있다. 이와 관련하여, 도 5는, 제어기(250)가 전압(Vbb)을 감지하게 허용하도록 제2 단자(235)가 제어기(250)에 커플링되는 일 예를 도시한다. 이러한 예에서, 제어기(250)는 전극(210)의 충전 동안 전압(Vbb)에 대한 타겟 전압을 결정할 수 있다. 예컨대, 타겟 전압은 위에서 논의된 전압 마진(△V) 더하기 전극(210)의 전압(Ve)과 대략적으로 동일할 수 있다. 이어서, 제어기(250)는 감지된 전압(Vbb)을 Vbb에 대한 타겟 전압과 비교하고, 감지된 전압(Vbb)과 타겟 전압 사이의 차이(에러)를 감소시키는 방향으로 (예를 들어, 스위칭 조절기(220)의 듀티 사이클을 조정함으로써) 전압(Vbb)을 조정할 수 있다. 따라서, 이러한 예에서, 제어기(250)는 전압(Vbb)의 피드백에 기반하여 스위칭 조절기(220)의 제2 단자에서의 전압(Vbb)을 조정한다.

[0054] 위에서 논의된 바와 같이, 타겟 전압은 전극(210)의 전압(Ve) 더하기 전압 마진(△V)과 대략적으로 동일할 수 있다. 제어기(250)는 충전 동안 전압(Vc)을 감지함으로써 전압(Ve)을 결정할 수 있다. 이와 관련하여, 도 5는, 제어기(250)가 전압(Ve)을 감지하게 허용하도록 제어기(250)가 전극(210)의 단자(212)에 커플링되는 일 예를 도시한다. 이러한 예에서, 제어기(250)는 전압 마진(△V)을 감지된 전압(Ve)에 부가함으로써 Vbb에 대한 타겟 전압을 결정할 수 있다. 전압 마진(△V)은 전류 소스(240)가 적절하게 동작하는 데 필요한 최소 오버헤드 전압에 가까울 수 있다.

[0055] 대안적으로, 제어기(250)는 전압(Ve)을 계산할 수 있다. 제1 전류 소스(242)의 전류가 알려져 있고 커패시터(C)의 커패시턴스가 알려져 있다고 가정하면, 제어기(250)는 충전 동안 Ve를 계산하기 위해 이러한 정보를 사용할 수 있다. 이러한 예에서, 제어기(250)는 전압 마진(△V)을 계산된 전압(Ve)에 부가함으로써 Vbb에 대한 타겟 전압을 결정할 수 있다.

[0056] 제어기(250)는 또한, 방전 동안 스위칭 조절기(220)의 제2 단자(235)에서의 전압(Vbb)을 조정하기 위해 위에서 논의된 피드백 메커니즘을 사용한다. 이러한 경우, 타겟 전압은 전극(210)의 전압(Ve) 빼기 전압 마진(△V)과 대략적으로 동일할 수 있다.

[0057] 특정한 양상들에서, 제어기(250)는 전압(Vbb)을 조정하기 위해 히스테리시스 피드백 제어를 사용할 수 있다. 이들 양상들에서, 제어기(250)는 또한, 인덕터(L)의 전류를 감지하도록 구성될 수 있다. 이를 행하기 위해, 전자약 디바이스(500)는 또한, 도 5에 도시된 바와 같이 스위치들(224 및 228)과 접지 사이에 커플링된 전류 센서(520)를 포함할 수 있다. 전류 센서(520)는, 예컨대 낮은-저항 감지 저항기를 이용하여 구현될 수 있다. 이러한 예에서, 제어기(250)는 감지 저항기 양단의 IR 전압 드롭을 감지함으로써 감지 저항기(및 그에 따라 인덕터(L))를 통과하는 전류를 감지할 수 있다. 전류 센서(520)가 도 5에 도시된 위치로 제한되지 않지만, 인덕터 전류를 감지하기 위해 디바이스(500) 상의 다른 위치에 배치될 수 있음을 인식할 것이다. 또한, 디바이스(500)가 인덕터 전류를 감지하기 위해 1개 초과의 전류 센서를 이용할 수 있음을 인식할 것이다.

[0058] 전극(210)의 충전 동안의 히스테리시스 피드백 제어의 일 예가 이제 도 6의 타이밍 다이어그램(600)을 참조하여 논의될 것이다. 타이밍 다이어그램(600)은, 스위칭 조절기(220)의 제2 단자(235)에서의 전압(Vbb)의 일 예, 인덕터 전류의 일 예(도 6에서 "IL"로 도시됨), 페이즈

의 지속기간들의 일 예(도 6에서 "phi"로 도시됨), 및 페이즈

의 지속기간들의 일 예(도 6에서 "phib"로 도시됨)를 도시한다. 타겟 전압("Vtarget"로 도시됨)의 일 예가 또한 도시된다.

[0059] 이러한 예에서, 제어기(250)는, 감지된 전압(Vbb)이 타겟 전압 미만으로 떨어질 경우 스위칭 조절기(220)를 턴 온시킨다. 이것은 도 6에서 "온" 신호에 의해 표시되며, 이는 Vbb가 타겟 전압 미만으로 떨어질 경우 로우(low))로부터 하이(high)로 트랜지션한다. 이것은, 스위칭 조절기(220)의 스위칭 활동을 감소시킴으로써 전력을 보존하도록 이루어진다.

[0060] 스위칭 조절기(220)가 턴 온될 경우, 제어기(250)는 스위칭 조절기(220)의 스위칭 사이클을 개시하며, 여기서, 스위칭 사이클은 제1 페이즈(

) 및 제2 페이즈(

)을 포함한다. 사이클의 제1 페이즈(

)에서, 제어기(250)는, 감지된 인덕터 전류가 전류 제한(도 6에서 "ilimit"로 도시됨)에 도달할 때까지 인덕터(L)를 에너자이징시키기 위해 스위치들(222 및 228)을 턴 온시키고 스위치들(224 및 226)을 턴 오프시킨다. 따라서, 제1 페이즈(

)은 감지된 인덕터 전류가 전류 제한에 도달할 경우 종료된다. 이어서, 제어기(250)는 사이클의 제2 페이즈(

)을 시작한다. 제2 페이즈(

)에서, 제어기는 인덕터(L)의 에너지를 전극(210)에 전달하기 위해 스위치들(224 및 226)을 턴 온시키고 스위치들(222 및 228)을 턴 오프시킨다. 제2 페이즈(

)의 지속기간은 고정된 시간 제한(도 6에서 "Toff"로 도시됨)과 제로-크로싱(zero-crossing) 시간(도 6에서 "izero"로 도시됨)의 최소값이며, 여기서 제로-크로스 시간은 감지된 인덕터 전류가 대략적으로 제로일 경우 발생한다.

[0061] 사이클의 말단에서, 제어기(250)는 전압(Vbb)이 여전히 타겟 전압 미만인지 여부를 결정한다. 전압(Vbb)이 타겟 전압 초과이면, 제어기(250)는 감지된 전압(Vbb)이 타겟 전압 미만으로 다시 떨어질 때까지 스위칭 조절기(220)를 턴 오프시킬 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 전압(Vbb)이 여전히 타겟 전압 미만이면, 제어기(250)는 스위칭 조절기(220)의 다른 스위칭 사이클을 개시할 수 있다. 제어기(250)는, 감지된 전압(Vbb)이 타겟 전압 초과로 상승할 때까지 스위칭 사이클들을 계속 개시할 수 있다.

[0062] 따라서, 감지된 전압(Vbb)이 타겟 전압 미만으로 떨어질 경우, 제어기(250)는 스위칭 조절기(220)를 턴 온시키며, 감지된 전압(Vbb)이 타겟 전압 초과로 상승할 때까지 하나 이상의 스위칭 사이클들에 걸쳐 제1 단자(230)로부터 제2 단자(235)로 에너지를 전달하도록 스위칭 조절기(220)를 동작시킨다. 타겟 전압이 간략화를 위해 도 6에서 고정되는 것으로 도시되지만, 타겟 전압이 시간에 따라 변할 수 있음을 인식할 것이다. 예컨대, 타겟 전압은 위에서 논의된 바와 같이, 타겟 전압을 전압 마진(△V)만큼 전압(Ve) 초과로 유지하기 위해 전극(210)의 전압(Ve)의 변화들을 추적할 수 있다.

[0063] 도 6에 도시된 바와 같이, 전압(Vbb)은 작은 양만큼 타겟 전압에 대해 변동될 수 있다. 이와 관련하여, 전압 마진(△V)은 타겟 전압에 대한 Vbb의 변동들을 수용하기에 충분한 헤드룸(headroom)을 제공하도록 전류 소스(240)가 동작하는 데 필요한 최소 오버헤드 전압 약간 초과의 전압으로 셋팅될 수 있다. 예컨대, 전압 마진(△V)은 전류 소스가 동작하기 위한 최소 오버헤드 전압의 2배와 동일하거나 그보다 작은 전압으로 셋팅될 수 있다. 다른 예에서, 전압 마진(△V)은 전류 소스가 동작하기 위한 최소 오버헤드 전압의 150%와 동일하거나 그보다 작은 전압으로 셋팅될 수 있다. 일 양상에서, 최소 오버헤드 전압은, 전류가 일정한 전류로부터 10%만큼 벗어나는 전류 소스 양단의 전압에 대응할 수 있다.

[0064] 위에서 논의된 예시적인 히스테리시스 피드백 제어는 또한, 전극(210)의 방전 동안 전압(Vbb)을 조정하는 데 사용될 수 있다. 이러한 경우, 인덕터(L)가 제1 페이즈(

)(도 6에서 "phi"로 도시됨) 동안 제2 단자(235)에 커플링되고 인덕터(L)가 제2 페이즈(

)(도 6에서 "phib"로 도시됨) 동안 제1 단자(230)에 커플링되도록 제어기(250)는 스위치들의 스위칭 시퀀스를 반전시킨다. 위에서 논의된 바와 같이, 이것은 전극(210)으로부터 배터리(218)로의 에너지의 흐름을 반전시키도록 이루어진다.

[0065] 도 6에 예시된 히스테리시스 피드백 제어가 단지 예시적일 뿐이며, 제어기(250)가 다른 피드백 제어 메커니즘을 이용할 수 있음을 인식할 것이다.

[0066] 특정한 양상들에서, 제어기(250)는 커패시터(C)의 단자(214)에서의 전압(Vm)을 셋팅하기 위해 커패시터(265)를 미리-충전시킬 수 있다. 이와 관련하여, 전자약 디바이스(500)는 도 5에 도시된 바와 같이, 커패시터(265)와 제어기(250) 사이에 커플링된 스위치(530)를 더 포함할 수 있다. 커패시터(265)를 미리-충전시키기 위해, 제어기(250)는 제어기(250)를 커패시터(265)에 커플링시키도록 스위치(530)를 폐쇄(턴 온)시킬 수 있다. 이어서, 제어기(250)는 커패시터(265)를 전압(Vm)으로 미리-충전시킬 수 있으며, 여기서, 전압(Vm)은 음의 전압을 요구하지 않으면서 스위칭 조절기(220)가 커패시터(C)를 방전시키게 허용하기에 충분히 높은 전압일 수 있다. 커패시터(265)가 Vm으로 미리-충전된 이후, 제어기(250)는 스위치(530)를 개방시킬 수 있다.

[0067] 전자약 디바이스는 디바이스에 전력공급하기 위해 에너지 수확(harvesting)을 이용할 수 있다. 예컨대, 디바이스는 무선 신호(예컨대, RF 신호)를 통해 외부 전력 소스로부터 무선으로 에너지를 수신하도록 구성된 무선 충전 코일을 포함할 수 있다. 이것은 에너지가 외부 전력 소스로부터 디바이스로 환자를 통해 전달되게 허용한다. 전자약은 수신된 에너지를 추후의 사용(예컨대, 환자에게 전기 자극을 제공함)을 위해 디바이스의 배터리에 저장할 수 있다.

[0068] 이와 관련하여, 도 7은 특정한 양상들에 따른, 전자약 디바이스(700)가 무선 충전 코일(710)을 또한 포함하는 일 예를 도시한다. 무선 충전 코일(710)은 외부 전력 소스(도시되지 않음)로부터 무선 신호를 통해 무선으로 에너지를 수신하도록 구성된다. 디바이스(700)는 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 무선 충전 코일(710)을 스위칭 조절기(720)와 인터페이싱하도록 구성된 인터페이스 회로(715)를 더 포함한다.

[0069] 이러한 예에서, 스위칭 조절기(720)는 위에서 논의된 인덕터(L) 및 스위치들(222, 224, 226 및 228)을 포함한다. 스위칭 조절기(720)는 인덕터(L)의 제2 단자(228)와 스위칭 조절기(720)의 제3 단자(730) 사이에 커플링된 제5 스위치(722)를 더 포함한다. 인터페이스 회로(715)는 스위칭 조절기(720)의 제3 단자(730)와 무선 충전 코일(710) 사이에 커플링된다. 동작 시에, 무선 충전 코일(710)은 외부 전력 소스로부터 무선 신호를 수신하고, 수신된 신호를 AC 신호로 변환한다. 인터페이스 회로(715)는, 무선 충전 코일(710)로부터의 AC 신호를 DC 전압으로 정류하고, DC 전압을 스위칭 조절기(220)의 제3 단자(730)에 출력하도록 구성된다.

[0070] 특정한 양상들에서, 제어기(250)는, 무선 충전 코일(710)을 사용하여 배터리(218)를 충전시키는 것과 전극(210)을 통해 전기 자극을 제공하는 것 사이에서 스위칭 조절기(720)를 시간-멀티플렉싱시킨다. 전기 자극을 제공하기 위해, 제어기(250)는 무선 충전 코일(710)로부터 인덕터(L)를 디커플링(전기적으로 격리)시키도록 스위치(722)를 개방(턴 오프)시킨다. 이어서, 제어기(250)는 위에서 논의된 바와 같이 전극(210)을 충전 및 방전시킨다. 스위치(722)가 개방된 동안, 제어기(250)는 하나 이상의 전기 자극 동작들을 수행할 수 있다. 스위치(722)는 전기 자극 동작들이 수행되고 있는 동안 개방되게 유지된다.

[0071] 무선 충전 코일(710)에 의해 수확된 에너지를 사용하여 배터리(218)를 충전시키기 위해, 제어기는 전극(210)으로부터 인덕터(L)를 디커플링(전기적으로 격리)시키도록 스위치(226)를 개방(턴 오프)시킨다. 이어서, 제어기(250)는 무선 충전 코일(710)로부터 배터리(218)로 에너지를 전달하기 위해 하나 이상의 스위칭 사이클들에 걸쳐 스위치들(222, 224, 228 및 730)을 스위칭 온/오프시킨다. 각각의 스위칭 사이클은 제1 페이즈(

) 및 제2 페이즈(

)을 포함한다. 각각의 사이클의 제1 페이즈(

) 동안, 제어기(250)는 스위치들(722 및 224)을 폐쇄(턴 온)시키고, 스위치들(222 및 228)을 개방(턴 오프)시킨다. 그 결과, 인덕터(L)의 제2 단자(227)는 인터페이스 회로(715)를 통해 무선 충전 코일(710)에 커플링되고, 인덕터(L)의 제1 단자(225)는 접지에 커플링된다. 이것은 무선 충전 코일(710)이 외부 전력 소스로부터의 무선 신호로부터 수신된 에너지를 이용하여 인덕터(L)를 에너자이징시키게 허용한다. 각각의 사이클의 제2 페이즈(

) 동안, 제어기(250)는 스위치들(722 및 224)을 개방(턴 오프)시키고, 스위치들(222 및 228)을 폐쇄(턴 온)시킨다. 그 결과, 인덕터(L)의 제1 단자(225)는 배터리(218)에 커플링되고, 인덕터의 제2 단자(227)는 접지에 커플링된다. 이것은 인덕터(L)에 저장된 에너지를 배터리(218)에 전달하고, 그에 의해 배터리(218)를 충전시킨다. 스위치(226)는, 배터리(218)가 무선 충전 코일(710)에 의해 충전되고 있는 동안 개방되게 유지된다.

[0072] 무선 충전 코일(710)에 의한 배터리(218)의 충전 동안, 제어기(250)는, 제3 단자(730)에서의 DC 전압을 제1 단자(230)에서의 배터리 전압(Vbatt)과 대략적으로 동일한 전압으로 변환하기 위해 스위칭 조절기(720)의 듀티 사이클을 조정할 수 있다. 스위칭 조절기(720)가 벅-부스트 변환기를 이용하여 구현되는 도 7의 예에서, DC 전압은 배터리 전압(Vbatt)보다 크거나 또는 그보다 작을 수 있다. 이것은, 스위칭 조절기(720)가 (예컨대, 스위칭 조절기(220)의 듀티 사이클에 의존하여) DC 전압을 부스팅 또는 벅킹시킬 수 있기 때문이다.

[0073] 따라서, 스위칭 조절기(720)는 무선 충전 코일(710)을 사용하여 배터리(218)를 충전시키는 것과 환자에게 전기 자극을 제공하는 것 사이에서 시간-멀티플렉싱될 수 있다. 이것은 스위칭 조절기(720)의 인덕터(L)가 디바이스(700)의 배터리 충전 동작 및 전기 자극 동작에 의해 공유되게 허용하고, 그에 의해 디바이스(700)의 사이즈를 감소시킨다.

[0074] 배터리 충전 동작에서, 스위칭 조절기(720)는 배터리(218)를 충전시키기 위해 무선 충전 코일(710)로부터 배터리(218)로 인덕터(L)를 통해 에너지를 전달한다. 전기 자극 동작에서, 에너지는 양방향으로 전달된다. 더 구체적으로, 스위칭 조절기(720)는 전극(210)을 충전시키기 위해 배터리(218)로부터 전극(210)으로 인덕터(L)를 통해 에너지를 전달한다. 이어서, 스위칭 조절기(720)는 전극(210)을 방전시키기 위해 전극(210)로부터 배터리(218)로 인덕터(L)를 통해 에너지를 전달한다.

[0075] 도 8은 본 개시내용의 특정한 양상들에 따른, 인터페이스 회로(715)의 예시적인 구현을 도시한다. 이러한 예에서, 인터페이스 회로(715)는 튜닝 회로(810), 정류기(820), 및 제너 다이오드(Zener diode)(830)를 포함한다.

[0076] 튜닝 회로(810)는 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)를 포함하며, 여기서, 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)는 직렬로 커플링되고, 제1 커패시터(C1)는 무선 충전 코일(710)과 병렬로 커플링된다. 튜닝 회로(810)는 무선 신호로부터 수확된 에너지의 양을 최대화시키기 위해 무선 충전 코일(710)의 공진 주파수를 튜닝하도록 구성될 수 있다.

[0077] 정류기(820)는 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2), 및 제3 커패시터(C3)를 포함한다. 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)는 직렬로 커플링되고, 제1 다이오드(D1)는 튜닝 회로(810)와 병렬로 커플링된다. 다이오드들(D1 및 D2)은 코일(710)로부터의 AC 신호를 정류하도록 구성되고, 제3 커패시터(C3)는 스위칭 조절기(220)로 출력되는 DC 전압을 생성하기 위해, 정류된 신호를 평활화시키도록 구성된다.

[0078] 제너 다이오드(830)는 DC 전압의 최대 전압 레벨을 제한함으로써 전압 보호를 제공하도록 구성된다. DC 전압의 전압 레벨이 제너 다이오드(830)의 파괴 전압(breakdown voltage)에 도달할 경우, 제너 다이오드(830)는 접지에 션트(shunt)를 제공하고, 그에 의해, DC 전압의 전압 레벨을 제너 다이오드(830)의 파괴 전압으로 제한한다.

[0079] 도 9는, 전자약 디바이스(900)가 배터리(218)와 스위칭 조절기(220)의 제1 단자(230) 사이에 커플링된 전류 소스(942), 배터리(218)와 스위칭 조절기(220)의 제1 단자(230) 사이에 커플링된 스위치(944), 및 스위칭 조절기(220)의 제1 단자(230)와 접지 사이에 커플링된 단자 커패시터(Cterm1)를 더 포함하는 일 예를 도시한다. 도 9에서, 스위칭 조절기(220)의 제2 단자(235)에 커플링된 단자 커패시터는, 스위칭 조절기(220)의 제1 단자(230)에 커플링된 단자 커패시터(Cterm1)로부터 이러한 커패시터를 구별하기 위해 "Cterm2"로 라벨링된다.

[0080] 전류 소스(942)는 배터리(218)에 대한 전류 흐름을 조절하도록 구성된다. 전류 소스(942)는 전류 미러 또는 다른 타입의 회로를 이용하여 구현될 수 있다. 예시의 용이함을 위해, 제어기(250)와 전류 소스(942) 사이의 연결은 도 9에 도시되지 않는다.

[0081] 스위칭 조절기(220)가 전극(210) 또는 무선 충전 코일(710)로부터 배터리(218)로 에너지를 전달할 경우, 제어기(250)는 전류 소스(942)를 활성화시키고, 스위치(944)를 개방시킨다. 전류 소스(942)는 배터리(218)에 대한 전류 흐름을 조절한다. 예컨대, 전류 소스(942)는 대략적으로 일정한 전류를 배터리(218)에 제공하도록 전류 흐름을 조절할 수 있다.

[0082] 스위칭 조절기(220)가 배터리(218)로부터 전극(210)으로 에너지를 전달할 경우, 제어기(250)는 스위치(944)를 폐쇄하고, 제1 전류 소스(942)를 비활성화시킨다. 이것은 배터리(218)를 제1 단자(230)에 커플링시켜, 전류가 배터리(218)로부터 제1 단자(230)로 흐르게 허용한다.

[0083] 도 10은 본 개시내용의 특정한 양상들에 따른, 전기 자극을 제공하기 위한 방법(1000)을 예시한 흐름도이다. 방법(1000)은 도 2, 도 5, 도 7, 도 8 및 도 9에 도시된 전자약 디바이스들 중 임의의 전자약 디바이스에 의해 수행될 수 있다.

[0084] 단계(1010)에서, 에너지는 전극을 충전시키기 위해 배터리로부터 전극으로 전달된다. 예컨대, 에너지는 제1 복수의 스위칭 사이클들에 걸쳐 배터리(예컨대, 배터리(218))로부터 전극(예컨대, 전극(210))으로 인덕터(예컨대, 인덕터(L))를 통해 전달될 수 있다. 제1 복수의 스위칭 사이클들 각각에서, 인덕터는 인덕터를 에너자이징시키도록 먼저 배터리에 커플링되고, 이어서 인덕터 내의 에너지를 전극으로 전달하도록 전극에 커플링될 수 있다.

[0085] 단계(1020)에서, 전극이 충전된 이후, 배터리를 방전시키기 위해 에너지는 전극으로부터 배터리로 전달된다. 예컨대, 에너지는 제2 복수의 스위칭 사이클들에 걸쳐 전극으로부터 배터리로 인덕터를 통해 전달될 수 있다. 제2 복수의 스위칭 사이클들 각각에서, 인덕터는 인덕터를 에너자이징시키도록 먼저 전극에 커플링되고, 이어서 인덕터 내의 에너지를 배터리로 전달하도록 배터리에 커플링될 수 있다. 전극으로부터 배터리로 전달된 에너지는 충전 동안 배터리로부터 전극으로 전달된 에너지의 일부를 포함할 수 있고, 그에 의해, 에너지의 일부를 다시 배터리로 재순환시킨다. 에너지의 일부가 저항기(R)를 통해 손실됨을 유의한다.

[0086] 본 개시내용이 도 2에 도시된 스위치들의 예시적인 어레인지먼트(arrangement)로 제한되지 않고, 스위치들의 다른 어레인지먼트들이 스위칭 조절기에 대해 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 예컨대, 제1 단자(230)로부터 제2 단자(235)로 에너지를 전달하기 위해, 스위치들의 다른 어레인지먼트들은, 배터리(218)를 사용하여 인덕터(L)를 에너자이징시키기 위해 인덕터(L)를 제1 단자(230)에 커플링시키고, 이어서 인덕터(L) 내의 에너지를 제2 단자(235)에 전달하기 위해 인덕터(L)를 제2 단자(235)에 커플링시키는 데 사용될 수 있다. 유사하게, 스위치들의 다른 어레인지먼트들은, 전극(210) 또는 충전 코일(710)을 사용하여 인덕터(L)를 에너자이징시키기 위해 인덕터(L)를 제2 단자(235) 또는 제3 단자(730)에 커플링시키고, 이어서 인덕터(L) 내의 에너지를 제1 단자(230)에 전달하기 위해 인덕터(L)를 제1 단자(230)에 커플링시키는 데 사용될 수 있다. 따라서, 본 개시내용은 스위칭 조절기에 대한 스위치들의 특정 어레인지먼트로 제한되지 않는다.

[0087] 제어기(250)는 하나 이상의 프로세서들, 및 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 경우 하나 이상의 프로세서들로 하여금 본 명세서에서 논의된 동작들을 수행하게 하는 명령들을 저장한 하나 이상의 메모리들로 구현될 수 있다. 하나 이상의 프로세서들은, 범용 마이크로프로세서들, 마이크로제어기들, 디지털 신호 프로세서(DSP)들, 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(FPGA)들, 프로그래밍가능 로직 디바이스(PLD)들, 제어기들, 상태 머신들, 게이팅된 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트들, 전용 하드웨어 유한 상태 머신들, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 메모리들은 하나 이상의 프로세서들의 내부 그리고/또는 하나 이상의 프로세서들의 외부에 있을 수 있다. 하나 이상의 메모리들은 RAM, ROM, 플래시 메모리, EEPROM 등을 포함하는 임의의 적합한 컴퓨터-판독가능 매체를 포함할 수 있다.

[0088] 개시내용의 이전 설명은 임의의 당업자가 개시내용을 사용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 개시내용에 대한 다양한 변형들은 당업자들에게 용이하게 명백할 것이며, 본 명세서에서 정의된 일반적인 원리들은 개시내용의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 다른 변형들에 적용될 수 있다. 따라서, 개시내용은 본 명세서에 설명된 예들로 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 본 명세서에 개시된 원리들 및 신규한 특성들과 일치하는 가장 넓은 범위에 부합할 것이다.

Claims

배터리;
전극;
상기 배터리에 커플링된 제1 단자 및 상기 전극에 커플링된 제2 단자를 갖는 스위칭 조절기; 및
상기 전극을 충전 및 방전시키기 위해 상기 스위칭 조절기를 동작시키도록 구성된 제어기를 포함하며,
상기 전극을 충전시키기 위해, 상기 제어기는 상기 배터리로부터 상기 전극으로 에너지를 전달하도록 상기 스위칭 조절기를 동작시키고, 그리고 상기 전극을 방전시키기 위해, 상기 제어기는 상기 전극으로부터 상기 배터리로 에너지를 전달하도록 상기 스위칭 조절기를 동작시키는, 전극을 충전 및 방전함으로써 전기 자극을 제공하도록 적응된 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 전극의 충전 동안 상기 스위칭 조절기의 제2 단자에서의 전압을 랩핑 업(ramp up)시키도록 구성되는, 전극을 충전 및 방전함으로써 전기 자극을 제공하도록 적응된 디바이스.
제2항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 전극의 충전 동안 상기 스위칭 조절기의 듀티 사이클을 조정함으로써 상기 스위칭 조절기의 제2 단자에서의 전압을 랩핑 업시키도록 구성되는, 전극을 충전 및 방전함으로써 전기 자극을 제공하도록 적응된 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 스위칭 조절기의 제2 단자와 상기 전극 사이에 커플링된 양방향 전류 소스를 더 포함하며,
상기 양방향 전류 소스는, 상기 스위칭 조절기의 제2 단자와 상기 전극 사이의 전류 흐름을 조절하도록 구성되는, 전극을 충전 및 방전함으로써 전기 자극을 제공하도록 적응된 디바이스.
제4항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 제2 단자에서의 전압을 전압 마진만큼 상기 전극의 전압 위로 유지하기 위해 상기 전극의 충전 동안 상기 스위칭 조절기의 제2 단자에서의 전압을 조정하도록 구성되며,
상기 전압 마진은 상기 전류 소스가 동작하기 위한 최소 오버헤드 전압의 2배와 동일하거나 또는 그보다 작은, 전극을 충전 및 방전함으로써 전기 자극을 제공하도록 적응된 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 스위칭 조절기는,
인덕터;
상기 스위칭 조절기의 제1 단자와 상기 인덕터의 제1 단자 사이에 커플링된 제1 스위치;
상기 인덕터의 제1 단자와 접지 사이에 커플링된 제2 스위치;
상기 스위칭 조절기의 제2 단자와 상기 인덕터의 제2 단자 사이에 커플링된 제3 스위치; 및
상기 인덕터의 제2 단자와 상기 접지 사이에 커플링된 제4 스위치를 포함하는, 전극을 충전 및 방전함으로써 전기 자극을 제공하도록 적응된 디바이스.
제6항에 있어서,
상기 전극을 충전시키기 위해, 상기 제어기는 다수의 스위칭 사이클에 걸쳐 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 동작시키도록 구성되며,
각각의 스위칭 사이클은 제1 페이즈(phase) 및 제2 페이즈을 포함하고,
각각의 사이클의 제1 페이즈에서, 상기 제어기는 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴 온시키고 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 턴 오프시키도록 구성되고,
각각의 사이클의 제2 페이즈에서, 상기 제어기는 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 턴 온 시키고 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴 오프시키도록 구성되는, 전극을 충전 및 방전함으로써 전기 자극을 제공하도록 적응된 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 스위칭 조절기는 인덕터를 포함하며,
상기 스위칭 조절기는, 상기 배터리와 상기 전극 사이에서 상기 인덕터를 통해 에너지를 전달하도록 구성되는, 전극을 충전 및 방전함으로써 전기 자극을 제공하도록 적응된 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 스위칭 조절기의 제3 단자에 커플링된 무선 충전 코일을 더 포함하며,
상기 제어기는, 상기 배터리를 충전시키기 위해 상기 무선 충전 코일로부터 상기 배터리로 에너지를 전달하기 위해 상기 스위칭 조절기를 동작시키도록 구성되는, 전극을 충전 및 방전함으로써 전기 자극을 제공하도록 적응된 디바이스.
제9항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 무선 충전 코일을 사용하여 상기 배터리를 충전시키는 것과 상기 전극을 충전 및 방전시키는 것 사이에서 상기 스위칭 조절기를 시간 멀티플렉싱시키도록 구성되며,
상기 스위칭 조절기는 인덕터를 포함하며,
상기 스위칭 조절기는, 상기 배터리와 상기 전극 사이에서 상기 인덕터를 통해 에너지를 전달하고, 그리고 상기 무선 충전 코일과 상기 배터리 사이에서 상기 인덕터를 통해 에너지를 전달하도록 구성되는, 전극을 충전 및 방전함으로써 전기 자극을 제공하도록 적응된 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 전극으로부터 상기 배터리로 전달된 에너지는 상기 배터리로부터 상기 전극으로 전달된 에너지의 일부를 포함하는, 전극을 충전 및 방전함으로써 전기 자극을 제공하도록 적응된 디바이스.
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