[go: up one dir, main page]

TR2023007811T2 - POWER SYSTEM FOR CONSTANT CURRENT NEURAL STIMULATORS - Google Patents

POWER SYSTEM FOR CONSTANT CURRENT NEURAL STIMULATORS

Info

Publication number
TR2023007811T2
TR2023007811T2 TR2023/007811 TR2023007811T2 TR 2023007811 T2 TR2023007811 T2 TR 2023007811T2 TR 2023/007811 TR2023/007811 TR 2023/007811 TR 2023007811 T2 TR2023007811 T2 TR 2023007811T2
Authority
TR
Turkey
Prior art keywords
voltage
charge pump
stimulation
circuit
control
Prior art date
Application number
TR2023/007811
Other languages
Turkish (tr)
Inventor
Koc Mert
Kulah Haluk
Chamanian Salar
Original Assignee
Orta Doğu Tekni̇k Üni̇versi̇tesi̇
Filing date
Publication date
Application filed by Orta Doğu Tekni̇k Üni̇versi̇tesi̇ filed Critical Orta Doğu Tekni̇k Üni̇versi̇tesi̇
Publication of TR2023007811T2 publication Critical patent/TR2023007811T2/en

Links

Abstract

Mevcut buluş, sabit akım stimülasyonunun değişen voltaj uyumluluğundan yararlanarak güç dağılımını azaltmaya yönelik nöral stimülatörlere yönelik adaptif besleme voltajı sağlayan, sabit akım nöral stimülatörlere yönelik bir güç sistemi ile ilgilidir.The present invention relates to a power system for constant current neural stimulators that provides adaptive supply voltage for neural stimulators to reduce power dissipation by taking advantage of the varying voltage compatibility of constant current stimulation.

Description

TARIFNAME SABIT AKIM NÖRAL STIMÜLATÖRLERE YÖNELIK GÜÇ SISTEMI Bulusun Teknik Alani Mevcut bulus, sabit akim stimülasyonunun degisen voltaj uyumlulugundan yararlanarak güç dagilimini azaltmaya yönelik nöral stimülatörler için adaptif besleme voltaji saglayan, sabit akim nöral stimülatörlere yönelik bir güç sistemi ile ilgilidir. Bulus Hakkinda Önceki Teknik (Önceki Teknik) Nöral stimülasyon, belirli uzuvlarda veya organlarda bozukluklari olanlarin tedavisi veya iyilestirilmesi için kullanilmistir. Koklear implantlar, sensörinöral isitme kaybi olan kisilerde isitmeyi saglamak için kokleanin isleyisini taklit ettikleri için nöral stimülasyon kullanan cihazlara örnek olarak verilebilir. Ayrica, nöral stimülasyon cihazlarinin kullanildigi uygulamalarda kalp pili, retinal implant veya agri kesmek üzere nöral stimülasyon verilebilir. Nöral stimülasyonu gerçeklestirmek üzere voltaj modu, sarj modu ve akim modu gibi çesitli yöntemler benimsenebilir. Voltaj modu en verimli moddur, ancak saglanan toplam sarj üzerinde kontrol saglamaz. Sarj modu ile bu kontrol edilebilir, ancak bu mod, yeterli sarj dagitimi için büyük kapasitörler gerektirir. Akim modu, düsük verimliligine ragmen güvenligi ve genis yük araligi sayesinde USZOl30314129Al dokümanindan en popüler olanidir. Literatürde, sabit akim stimülasyonu için Sekil 1(b)'de gösterildigi gibi iki fazli akim darbeleri kullanilir. Güç dagilimini azaltmak ve nöronun sarj dengesini korumaya yönelik bir iki-fazli akim kullanilir. Stimülasyon elektrotlarla yapilir ve akim stimülasyonuna karsilik gelen elektrot voltaj farki da Sekil 1(b)'de gösterilir. Bu voltaj dalga biçiminin nedeni, Sekil l(a)'da gösterildigi gibi modellenebilen elektrot doku arayüzü veya yük empedansidir. Toplu direnç (Rtoplu), iki elektrot arasindaki maddeyi modellerken, elektrot-doku arayüzü bir kapasitör (Csörf) ile modellenir. Sizinti direnci (Rsizinti), Csörf ile paralel baglanan elektrot yüzeyinde meydana gelen redoks reaksiyonlarini modellemek için kullanilir [7]. Ayrica, Rsizinti, daha büyük degeri nedeniyle tipik olarak göz ardi edilir [5], [6], [7], [8]. Iki-fazli darbenin olusturulmasi, farkli uygulamalarla yapilabilir. Asagida, US7519428B1 numarali dokümanda Sekil 2(a)'da gösterildigi gibi birden çok akim kaynaginin kullanildigi çesitli uygulamalara örnekler verilmistir, US9079032B2 numarali dokümanda Sekil 2(b)'de gösterildigi gibi bir yeniden sarj kapasitörü (955) kullanilir, veya Sekil 3'tekine benzer bir basit anahtar konfigürasyonu kullanilir [5]. Daha önce bahsedildigi gibi, nöral stimülatörler görevlerini ya organlar ya da uzuvlar üzerinde ve çogu durumda hacim kisitli senaryolarda yerine getirirler. Bu da düsük kapasiteli pil sorununu beraberinde getirir. Ayrica, çogu durumda bu piller cerrahi olarak insan vücudunun içine yerlestirilir, bu nedenle, birçok sarj döngüsü nedeniyle performanslari kritik bir sekilde düstügünde veya sarj edilemedikleri durumlarda degistirilmeleri gerekir. Degistirme operasyonu ile ilgili rahatsizlik ve sorunlari azaltmak üzere, bu implant cihazlarinin mümkün oldugunca verimli hale getirilmesi, bu konuda çalismalarin yapilmasina yol açmistir. Nöral stimülatörün üzerinde odaklanilan belirli bir yönü, voltaj uyum sorunudur. Sekil 1(a)'da verilen yük empedansi için, elektrotlar boyunca olusturulan voltaj, denklem (1) ile spesifik stimülasyon akimi için hesaplanabilir ve böylece gerekli voltaj uyumu belirlenebilir. Örnek olarak, 9 kg ve 20 nF yük empedansi için 1 mA ve 50 us stimülasyon akimi ve süresi için hesaplanan voltaj ll.5 V'tur. Ancak 500 uA'lik bir stimülasyon akimi için bu deger 5.75 V'a düser. Her iki senaryoda, 12 V ile beslenecek olsaydi, ikinci durumda güç bosa giderdi. Nöral stimülasyonun bu yönünden, güç dagilimini azaltmak için yararlanilir. Bir sonraki bölümde, bu konu üzerinde çalisan birkaç çalisma özetlenmistir. Vkomp = IstimRtoplu + -1- IstimAt Bazi uygulamalarin aksine, USZOl303l4129Al numarali dokümanda sunulan çalisma, besleme voltajini degistirmek yerine stimülasyon akiminin kendisini degistirir. Stimülatördeki yüksek voltaj izleme blogu, elektrot üzerindeki çikis voltaj inin önceden tanimlanmis bir esik voltaj indan daha düsük oldugunu tespit ederse, sonraki stimülasyon için stimülasyon akimi degistirilir. Degisiklik, dalga biçimi sekli, darbe genisligi, genlik vb. için yapilabilir. Spesifik bir örnek, darbe genisligini azaltmak ve stimülasyon akiminin genligini arttirmaktir. Bu sekilde, elektrot voltaji ile besleme voltaji arasindaki bosluk azaltilir ve daha az güç harcanir. Daha önce bahsedildigi gibi, US7519428B1 numarali dokümanda çoklu akim kaynaklari kullanilir. Yüksek voltaj uyumlulugu durumunda, elektrotlar bir akim kaynagina baglanir ve sirasiyla pozitif ve negatif besleme ile batar. Bu, iki-fazli bir darbe olusturmak için birbirinin yerine yapilir. Düsük voltaj uyumlulugu gerektiginde, elektrotlardan biri daima topraga baglanir ve diger elektrot bir fazda bir akim kaynagina ve diger fazda bir akim aliciya baglanir. US9079032B2 numarali dokümanda, bir elektrostimülasyon enerji depolama kondansatörünün voltaji izlenir ve depolama kondansatörünün nasil desarj edildigi gözlemlenerek belirli bir stimülasyon akimi için yük empedansi hesaplanir. Ek olarak, stimülasyon akiminin zit fazinin üretilebilmesi için yük ile toprak arasina bir yeniden sarj etme kondansatörü baglanir. US9731116B2 numarali dokümandaki tasarim ayrica, kontrolör tarafindan belirlenen belirli bir süre boyunca stimülasyondan önce belirli bir voltaj a sarj edildigi, bir sarj pompasinin çikis kapasitörünü kullanir. Çikis kondansatörünün çok fazla desarj oldugu yüksek stimülasyon akimlari için, sarj pompasi, voltaj uyumlulugunun korunmasi ve dogru stimülasyonun gerçeklestirilebilmesi için çikis kondansatörünü bir kez daha sarj etmek üzere yeniden etkinlestirilir. Yukaridaki tasarimlar ya önceki stimülasyon akimlarinin bilgisini kullanir ya da karmasik devrelere ihtiyaç duyar. Ek olarak, yalnizca ihtiyatli voltaj degerlerinde çalisirlar. Burada sunulan cihaz, yeterli voltaj uyumunu saglamak üzere elektrot voltaj farkini belirli bir bosluk payi ile takip edecek sekilde, sabit akim stimülasyonundan kaynaklanan elektrot voltajlarini izler ve kendini uyarlar. Elde edilmeye çalisilan örnek bir ideal dalga sekli Sekil 4'te görülmektedir. Bir stimülasyon sürecinin sonuna dogru, sonraki stimülasyon süresine hazirlanmak için besleme voltaji önceden tanimlanmis bir yüksek voltaj degerine çekilir. Ayrica, bu aralikta nöronlarin potansiyel birikme nedeniyle zarar görmesini önlemek için gerekli yük dengeleme yöntemlerinden yararlanilabilir. Sonraki bölümlerde genel sistem ve adaptif voltaj besleyici açiklanmaktadir. Bulusun Amaçlari ve Kisa Açiklama Mevcut bulus, sabit akimli nöral stimülatörlere yönelik yukarida belirtilen gereksinimleri karsilayan, tüm dezavantajlari ortadan kaldiran ve bazi yeni avantajlar saglayan bir güç sistemi ile ilgilidir. Mevcut bulus, sabit akim stimülasyonunun degisen voltaj uyumlulugundan yararlanarak güç dagilimini azaltmaya yönelik nöral stimülatörler için adaptif besleme voltaji saglayan bir güç sistemini açiklar. Gerekli besleme voltaj ini belirlemek üzere stimülasyon elektrotlarinin voltajlari izlenir. Ardindan, çalistirma sikligi ve çalistirma sarj pompasi asamalarinin sayisi, stimülasyon devresi için voltaj uyumu saglamak üzere uygun sekilde uyarlanir. Ek olarak, güç kaybini daha da azaltmak için kontrol devresine güç saglamak için bir indirici dönüstürücü kullanilir. Pili uzun süre kesintisiz çalisacak sekilde sarj etmek üzere bir enerji toplayici ve uygun arayüz devresi kullanilir. Bulusu Açiklayan Sekillerin Açiklamalari Sabit akimli nöral stimülatörler için gelistirilmis bir güç sistemine sahip bu bulusu daha iyi açiklamak için kullanilan sekiller ve bunlarin açiklamalari asagidaki gibidir: Sekil 1: Nöronlari uyarmak için kullanilan iki-fazli akim darbesi (Önceki teknik). Sekil 2: (a) çoklu akim kaynaklari US7519428B1 numarali doküman ve (b) bir sarj kapasitörü kullanilarak (Önceki teknik) iki-fazli darbe üretimine örnek uygulamalar. Sekil 3: Iki-fazli darbe üretimi için örnek bir anahtar konfigürasyonu (Önceki teknik). Sekil 4: Sabit besleme voltaji ve elektrot voltaji izleme besleme voltaji örnegi Sekil 5: Genel nöral stimülasyon sisteminin blok diyagrami. Sekil 6: Tasarimin sarj pompasi tarafinin blok diyagrami. Sekil 7: Tasarimin ikinci kismi için blok diyagram. Sekil 8: Önyükleme kapasitörlü tek asamali sarj pompasi. Sekil 9: Sarj yeniden kullanimi ve önyükleme kapasitörleri ile tek asamali sarj pompasi. Sekil 10: Iki fazli stimülasyon akimi, karsilik gelen elektrot voltaji farklari ve bireysel elektrot voltajlari. Sekil 11: Elektrot voltajlari için büyüklük karsilastirma devresi. Sekil 12: Elektrot voltaji çikarma islemi için kullanilan fark yükselticisi. Sekil 13: Pil voltaji (alt) 200 us'de 3.7 V ila 3.3 V arasinda degistiginde, ayni yük için sarj pompasi çikisi ve elektrot voltaj larinin mutlak degeri için örnek dalga biçimi. Sekil 14: Pil voltaji (alt) 200 us'de 3.7 V ila 3.3 V arasinda degistiginde, degisen yük için sarj pompasi çikisi ve elektrot voltaj larinin mutlak degeri için örnek dalga biçimi. Sekil 15: Bulusun çalisma yöntemi. Bulusun Detayli Açiklamasi Bu bulus ile sabit akim nöral stimülatörlere yönelik gelistirilen bir güç sistemini daha iyi açiklamak için, detaylar asagida sunulmaktadir. Genel sistemin blok diyagrami Sekil 5'te görülebilir. Adaptif voltaj beslemesi ve indirici dönüstürücü, bir pil hücresinden çalistirilir. Bazi örneklerde, pil sarj edilebilir veya sarj edilemez olabilir. Sarj edilebilir durumda, pili kablosuz güç vericisi gibi bir harici kaynaktan sarj edebilmenin yani sira, pil, uygun arabirim devresi kullanilarak bir enerji toplayici kullanilarak sarj edilebilir. Bu, cihazlarin sarj edilmesi gerekmeden çalistirilabilecegi süreyi uzatacaktir. Bazi örneklerde, enerji toplayici sisteme dahil olmayabilir ve pil harici bir kaynaktan sarj edilecektir veya pil hiç sarj edilemeyebilir. Adaptif voltaj jeneratörünün yani sira, kontrol devresinin güç dagilimini azaltmaya yönelik bir indirici dönüstürücü kullanilir. Bazi örneklerde, bu indirici dönüstürücü, tamamen entegre bir tasarim elde etmek için bir anahtarlamali kapasitör dönüstürücüden olusabilir. Bazi örneklerde, hem kapasitif hem de endüktif elemanlar içeren bir rezonans veya çok seviyeli anahtarlama dönüstürücü olabilir. Bazi durumlarda, indirici dönüstürücü için, boyutu ve karmasikligi azaltmak için bir dogrusal dönüstürücü kullanilabilir. Ayrica, bahsedildigi gibi bu sistemde adaptif voltaj beslemesi kullanilir. Adaptif voltaj beslemenin ana görevi, stimülasyon elektrotlari için gerekli stimülasyon sinyalini olusturmak üzere kullanilan anahtar matrisine, voltaj uyumlulugunu saglamak üzere dogru miktarda voltaj saglamaktir. Bunu yapmak için, stimülasyon elektrotlarindaki voltaji izler ve Sekil 4'te gösterildigi gibi, bu voltaji belirli bir voltaj bosluk payi ile izleyen bir besleme voltaji olusturur. Bir sonraki bölüm adaptif voltaj j eneratörünü daha ayrintili olarak açiklayacaktir. Adaptif Voltaj Besleme Adaptif Voltaj Jeneratörünün genel açiklamasi: Genel tasarim iki blok diyagramla temsil edilir. Sekil 6'da gösterilen ilki, tasarimin sarj pompasi tarafidir. Bahsedildigi gibi, sarj pompasi voltaji elektrot voltajini takip eder. Izleme iki sekilde gerçeklestirilir. Birincisi, kullanilan sarj pompasi asamasi sayisinin kontrolü, ikincisi ise frekans kontrolüdür. Asama sayisinin kontrol edilmesi, çikis voltajinin kabaca kontrol edilmesini saglar. Örnegin, 3.3 V'luk bir giris voltaji ve 3 ila 6 V'luk bir çikis voltaji için yalnizca bir asama çalisir durumdayken, 9 ila 12 V için üç asamanin tamami kullanilmalidir. Bu, çikis voltaji sarj pompasinin sagladigi ayrik degerden saptiginda, sarj pompasi verimliligindeki dogal düsüs nedeniyle benimsenmistir [9]. 3.3 V'luk bir giris voltaji için, giris voltaj ini dört katina çikaran 3 asamali sarj pompasi, 13.2 V'a yakin voltajlari beslerken en verimli olacaktir. Böylece, düsük voltaj da dramatik verim kaybini önlemek için voltaj araligi, farkli voltaj seviyelerinin saglanabilecegi üç kisma bölünmüstür. Bu, Tablo 1'de özetlenmistir. Bu tabloda, Bit_l ve Bit_2, çalisan asama sayisini belirleyen kontrol sinyalleridir. Bu kontrol sinyalleri, daha sonra açiklanacak olan tasarimin ikinci kismindan saglanmaktadir. Adaptif voltaj jeneratörünün bu versiyonu, üç asamali bir sarj pompasi kullanir, ancak nöral stimülatöre saglanacak gerekli voltaja göre asama sayisi artirilabilir. Buna göre kontrol devresi, sürücüler, seviye degistiriciler ve tasarimin anlatilacak olan ikinci kismi da degistirilmelidir. Bir baska örnekte, sarj pompalarinin diger topolojileri kullanilabilir. Bu konfigürasyona benzer sekilde, bu örneklerdeki tasarimin topolojisinin de konfigüre edilmesi gerekebilir. Diger örneklerde, asagida açiklanacagi üzere darbe genislik modülasyonu (PWM) veya darbe frekans modülasyonu (PFM) kontrolünün kullanilmasi yeterli olabilir. Ayrica, frekans kontrolü ile elde edilen sarj pompasinin çikis empedansi kontrol edilerek çikis voltajinin hassas kontrolü saglanir. Bunun için, bir hata yükseltici ve voltaj kontrollü osilatör (VCO) kullanilir. Hata yükseltici, bölünmüs sarj pompasi çikis voltaji ile yine tasarimin ikinci kismi tarafindan saglanan bir referans voltaji karsilastirarak VCO için bir kontrol voltaji olusturur. Bazi örneklerde, bir düzenlenmis bir voltaj elde etmeye yönelik örtüsmeyen saat üretecine beslenen saat sinyalini etkinlestirmek ve devre disi birakmak üzere dalgalanma kontrol yöntemi kullanilabilir. Tablo 1: Kontrol bitlerine ve çalisan sarj pompasi asamalarinin sayisina karsilik gelen çikis voltaji araliklari. Bit_2 Bit_1 Vçikis Çalistirma O 0 3.3 0 O 1 3.3 - 6 V 1 1 O 6 - 9 V 2 l 1 9 - 12 V 3 Tasarimin voltaj ömeklemesi ve kontrol sinyali üretimi olan ikinci kismi için blok diyagram Sekil 7'de verilmistir. EL kanal elektrotu ve EL_COM ortak elektrottur. Ilk bölümde elektrot voltajlari ömeklenir ve çikarma devresine beslenir. Çikarma bölümünde, büyüklükleri karsilastirilarak hangi elektrotun iki-fazli darbenin fazina bagli olarak degistigi için daha büyük potansiyele sahip oldugu belirlenir. Bu, çikarma islemini gerçeklestirmek üzere kullanilan fark yükselticisinin düzgün çalismasini saglamak içindir. Diger örneklerde, hangi elektrot voltajinin hangi voltajdan çikarildigindan bagimsiz olarak dogru çikarma yapabilen bir devre kullaniliyorsa, büyüklük karsilastirmasi gerekli olmayabilir. Sonuç olarak, elektrot voltaj lari çikarilir ve belirli bir miktarda ofset verilir ve daha sonra iki bite eslenen bir flas ADC'ye beslenir. Bunlar, Sekil 6'da da gösterilen Bit_l ve Bit_2'dir. Histerezis karsilastiricilari için karsilastirma voltajlari, istenen voltaj uyumlulugu için dogru sayida doldurma pompasi asamasinin çalismasi için dirençli bir bölümle olusturulur. Histerezis karsilastiricilari, sarj pompasi asamasinin çalisir durumda olup olmadigini belirler. Örnek olarak, 3.3 V'luk bir giris voltaji için, iki asamali bir sarj pompasi, yüksüZ durumda 9.9 V'luk çikis voltaji saglayabilir. Bu nedenle, yük kosullari göz önünde bulundurularak, tasarim, gerekli çikis voltaji 9 V'a ulasmayana kadar üçüncü asama çalismayacak sekilde çalismalidir. Bu degerin ötesinde üçüncü asama da çalisir durumda olmalidir. Sekil 6'daki voltaj bölücünün sarj pompasi çikis voltajinin l/5'ini sagladigini varsayarsak, hata yükseltici ve osilatörün çikis voltajini 9 V'ta tutmasi için 1.8 V'luk bir referans voltaji gerekecektir. Belirtildigi gibi, Sekil 7'deki çikarmanin sonuçlari 1.8 V'u asarsa, üçüncü histerezis karsilastiricisi çikisini YÜKSEK olarak degistirdiginde ve üçüncü asama çalismaya basladiginda üçüncü asama çalismaya baslamalidir. Sekil 7'de görülebilecegi gibi, histerezis karsilastiricisinin referans voltaji karsilastirmasi için gerekli olan 1.8 V'u olusturmak için dirençli bir bölücü kullanilir. Bu, üçüncü asamanin çalismaya basladigi çikis voltaji artik 9 V olmayacagindan, tasarimin degisen besleme voltajlari altinda çalismasini saglamak içindir. Bahsedildigi gibi, ofset ile elde edilen çikarma voltaji ayni zamanda sarj pompasi için elektrot voltajini izlemesini saglayan referans voltajidir. Adaptif voltaj beslemenin bu kismi, elektrot voltajini gerçek zamanli olarak takip ettigi için herhangi bir sabit akim nöral stimülasyon cihaziyla kullanilmasini saglar. Üçten fazla sarj asamasinin kullanildigi durumlarda, flash ADC degistirilmeli ve bit esleme buna göre degistirilmelidir. Ortalama besleme voltaj ini düsüren adaptif voltaj besleme j eneratörü ve dolayisiyla düsük ortalama güç tüketimi saglanmistir. Gerekli voltaj uyumunun sarj pompasi asamalarinin sayisini kontrol ederek kabaca elde edildigi adaptif voltaj besleme jeneratörü, burada maksimum sarj pompasi asamasi sayisi, stimülasyon devresinin voltaj araligi tarafindan belirlenir. Darbe frekans modülasyonu (PFM) kontrolü ile gerekli voltaj uyumunun ince ayarinin yapildigi adaptif voltaj besleme jeneratörü, bunun için referans, ölçeklendirilmis elektrot voltaj ini saglamaya yönelik bir belirli bosluk payi ile izleme devresi tarafindan saglanir. Ölçekli elektrot voltaji sayesinde, regülasyon sistemi için referans olarak kullanildiginda elektrot voltaj inin gerçek zamanli olarak izlenmesini saglar. Sarj Pompasi: Sarj pompasi devresinin bir asamasi Sekil 8'de verilmistir [10]. Iki sarj transfer kondansatörü kullanir. Dügüm B'i veya Bi, bir fazda Vi.1'e sarj edilir ve ardindan giris voltaji ile yükseltilir. Yani (In YÜKSEK oldugunda Bi, Vi-1'e esittir ve (In YÜKSEK oldugunda giris voltaji ile yükseltilir. Sarj pompasi çift konfigürasyonlu oldugundan ayni islem B'i için de geçerlidir. Önyükleme yöntemine ek olarak, çip üzerindeki MIM kapasitörlerinin [10] alt plaka parazitlerinin etkilerini azaltmaya yönelik bir sarj yeniden kullanma semasi benimsenmistir, bu versiyon Sekil 9'da gösterilmektedir: Bu tasarimdaki sarj pompasi 3.3 V'luk bir giristen çikista 12 V alabilmek için asagida verilen devrenin üç asamali versiyonudur. Regülasyon: Belirtildigi gibi, sarj pompasinin çikisini düzenlemeye yönelik iki farkli yöntem kullanilir. Operasyonel sarj pompasi kademelerinin sayisi degistirilerek kaba düzenleme gerçeklestirilir. Bu, üç histerezis karsilastiricisi kullanan bir flas ADC ile yapilir. Bu karsilastiricilarin çikislari, daha önce açiklandigi gibi islem asamalarinin sayisini belirleyen Bit_l ve Bit_2 olmak üzere iki bit ile eslenir. Bu karsilastiricilar için karsilastirma voltajlari, giris voltajinin sarj pompasinin çikis voltajinin bölündügü oranla ayni orana bölünmesiyle olusturulur ve asagida açiklanan ince regülasyon yapilir. Daha önce bahsedildigi gibi, karsilastirma voltajinin bu sekilde olusturulmasi, adaptif voltaj kaynaginin degisen akü voltajlarinda çalismasini saglar, örn. istenen çikis voltaji giris voltaj inin iki kati ile üç kati arasindaysa sarj pompasinin iki asamasini kullanir. Sarj pompasi voltajinin hassas regülasyonu için PFM kontrol yöntemi benimsenmistir. Hata yükselticisi olarak kullanilan islemsel trans-iletkenlik yükselticisi, sarj pompasinin bölünmüs çikisini bir referans voltaj iyla karsilastirir. Çikisina göre osilatörün kontrol gerilimi, yük akimina göre anahtarlama frekansi degisebilecek sekilde ayarlanir. Bu sayede sarj pompasinin çikis empedansi uyarlanarak çikis voltaji istenilen degerde tutulur. Diger örneklerde dalgalanma tabanli düzenleme de kullanilabilir. Çakismayan Saat ve Sürücüler: Doldurma pompasinin düzgün çalismasi için örtüsmeyen fazlara ihtiyaç vardir. Bu, sarj pompasinin kisa devre kayiplarini ortadan kaldirmak için gereklidir. Anahtarlama yapilirken zamanlama gecikmelerinden dolayi ayni anda çalismamasi gereken transistörler açik olursa kisa devre yolu olusacak ve bu da verimi düsürecektir. Böylece bunu önlemeye yönelik geleneksel bir örtüsmeyen jeneratör kullanilir ve saat sinyalleri bir sürücü zinciri ile anahtarlara beslenir. Daha önce gösterilen blok diyagramda, terminallerindeki elektrot voltajinin, hata yükseltici için bir referans voltaji olarak ve çalisir durumdaki sarj pompasi asamalarinin sayisini kontrol etmek için kullanildigi belirtildi. Önemli kisimlar burada açiklanmistir. Büyüklük Karsilastirmasi: Iki-fazli stimülasyon ve elektrot voltaji farki, Sekil lO'da yinelenmistir. Bu sekilde elektrotlarin bireysel voltaj lari da gösterilmistir. Stimülasyonun bir fazinda, bir elektrot voltaji daha fazladir ve diger faz için bunun tersi geçerlidir. Bu nedenle, dogru çikarma islemini gerçeklestirmeye yönelik, hangi voltajin hangi voltajdan çikarildigini belirlemek için büyüklük karsilastirmasi yapilmalidir. Bu amaçla kullanilan devre Sekil ll'de verilmistir. Çikarma: Çikarma için, Sekil 12'de gösterildigi gibi bir fark yükseltici uygulanir. Yükseltici için katlanmis bir kaskod yapisi kullanilmistir. Anahtar matrisi ile sarj pompasi çikis voltaji arasinda bosluk payi saglamak üzere elektrotlarin farkina bir ofset verilir. Stimülasyonlar: Elektrot voltajini izleyen sarj pompasi çikis voltaji için birkaç senaryo için stimülasyon sonuçlari bu bölümde verilmektedir. Sekil 13, Tablo 2'de gösterildigi gibi ayni yükün ayni uyari akimi için kullanildigi iki ardisik stimülasyon sürecini göstermektedir. Degisen tek sey besleme voltaj idir. Alt dalga seklinde görüldügü gibi, besleme voltaji 200 us zaman araliginda 3.7 V ile 3.3 V arasinda degismektedir. Buna ragmen, elektrot voltaji ve adaptif besleme voltaji ayni kalmakta ve böylece sistemin degisen besleme voltajlari altinda çalisabildigi gösterilmistir. Sekil 14 ayrica, beslemenin 3.7 V'tan 3.3 V'a düsürüldügü iki ardisik stimülasyon sürecini göstermektedir, ancak bu sefer yükler de farklidir ve degerleri Tablo 3'te verilmistir. Tablo 2: Sekil l3'teki dalga biçimleri için stimülasyon kosullari stimülasyon # Ryük Cyük 1.Elektr0t 8 k!! 30 nF 2.Elektr0t 8 k!! 30 nF Tablo 3: Sekil l4'teki dalga biçimleri için stimülasyon kosullari stimülasyon # Ryük Cyük 1.Elektr0t 8 k!! 30 nF 2.Elektr0t 6.5 kg 40 nF Elektrot voltaji uyumlulugunu ölçmek ve voltaj kaynagi jeneratörünü kontrol etmeye yönelik bir izleme devresi olup, burada izleme devresi, herhangi bir nöral stimülasyon sistemi için geçerli olacak isaret düzeltme yöntemiyle bir voltaj çikarma devresini ihtiva eder ve ayrica çalisir durumdaki sarj pompasi asamalarinin sayisini degistirmek için dijitallestirme devresini ihtiva eder, Sabit akim nöral stimülatörlere yönelik adaptif besleme voltaji saglayan bir güç sistemi olup, asagidakileri içerir; Istenen voltaj seviyelerini çikarmak ve ortalama besleme voltajini azaltmaya yönelik bir enerji kaynagina baglanacak sekilde konfigüre edilmis ve söz konusu adaptif voltaj besleme jeneratörünün, degisen voltaj seviyelerine sahip enerji kaynaklari ile gerekli voltaj uyumlulugunu üretecek ve bunu stimülasyon elektrotlarina yönelik gerekli stimülasyon sinyalini olusturmak için kullanilan anahtarlama matrisine saglayacak sekilde konfigüre edildigi, adaptif voltaj besleme j eneratörü, Elektrot voltaji uyumunu ölçmek ve voltaj besleme j eneratörünü kontrol etmeye yönelik bir izleme devresi ve söz konusu izleme devresi asagidakileri içerir: 0 elektrotlarin voltaj farkini sürekli olarak besleme jeneratörüne saglayan, bu voltaji takip edebilen ve stimülasyon sirasinda meydana gelen herhangi bir degisiklige uyum saglamasini saglayan bir voltaj çikarma devresi, o çalisan sarj pompasi asamalarinin sayisini degistirmeye yönelik bir dijitallestirme devresi, Kullanilan sarj pompasi asamalarinin sayisinin kontrolü ve frekans kontrolü ile elektrot voltaj ini izleyen bir sarj pompasi, Izleme devresine güç saglamak ve güç kaybini azaltmak için kontrol devresine güç saglamak üzere enerji kaynagina baglanacak sekilde konfigüre edilmis bir indirici dönüstürücü ve burada söz konusu indirici dönüstürücü, kontrol devresinin güç dagitimini azaltmaya yönelik kullanilir, Arayüz devresi veya harici kaynak kullanilarak bir enerji toplayici kullanilarak sarj edilen bir pil. Bir pil sarj edilebilir pil olabilir. Bulusun diger yönleri; Sistem ayrica yeniden sarj edilebilir pili sarj etmek üzere konfigüre edilmis bir enerji toplama sistemi içerir ve söz konusu enerji toplama sistemi pili yeniden sarj etmek ve ortam enerjisini temizlemek için arayüz devresi, 0 Gerekli voltaj uyumlulugu için sarj pompasi asamalarinin sayisi ile kontrol edilecek sekilde konfigüre edilmis adaptif voltaj besleme j eneratörü 0 Gerekli voltaj uyumlulugunun ince ayarina yönelik darbe frekans modülasyonu (PFM) kontrolü kullanan adaptif voltaj besleme jeneratörü içerir, 0 Sarj pompasi devresi, sarj pompasi asamalarini çikisa baglayan anahtarlari islemeye yönelik seviye degistiriciler ihtiva eder, 0 Adaptif voltaj j eneratörü, üç asamali bir sarj pompasi kullanir, o Adaptif voltaj besleme ve indirici dönüstürücü, çalismak için bir enerji kaynagi olarak bir pil kullanir, o Indirici dönüstürücü, bir anahtarlamali kapasitör dönüstürücüden olusur, 0 Indirici dönüstürücü, rezonans dönüstürücü, çok seviyeli anahtarlama dönüstürücü veya dogrusal dönüstürücüdür, o Harici kaynak, bir kablosuz güç vericisidir. Cihazin bulundugu ortamdan enerji alarak pil seviyesine katkida bulunmak için piezoelektrik veya benzeri bir enerji üreteci sistemi ile ortam enerjisini süpürün. Sistemin çalisma yöntemi olup, yöntem asagidakileri içerir; Sarj pompasini çalistirmaya ve çikisini maksimuma çekmeye yönelik kontrol devresi araciligiyla kontrol sinyallerinin üretilmesi, Stimülasyon sürecini baslatmaya yönelik anahtar matrisi için kontrol devresi üzerinden kontrol sinyallerinin üretilmesi, Voltaj örnekleme devresinin etkinlestirilmesi ve ofset ile ölçekli elektrot voltajinin olusturulmasi, Ölçekli elektrot voltajinin darbe frekans modülasyonu kontrolü için referans voltaji olarak kullanilmasi ve asama numarasi kontrolü için sinyaller olusturulmasi, Sarj pompasi çikisinin maksimum degerinden ölçeklenmis elektrot voltaji ile belirlenen degere düsürülmesi ve takibinin yapilmasi, Stimülasyon süreci sona ermeden önce kontrol devresi üzerinden sarj pompasi çikisinin kontrol devresinden gelen sinyallerle maksimuma çekilerek sonraki stimülasyon süreci için yeterli voltaj in saglanmasi, Bir sonraki stimülasyon süreci için baslatma sinyali verilene kadar sarj pompasi çikisinin maksimumda tutulmasi. REFERANSLAR L. Yao, "Stimulator and Method for Processing a Stimulation Signal", United States L. P. Palmer, "Dual-Range Compliance Voltage Supply for a Multi-Channel D. J. Ternes, S. Vanderlinde, R. Vijayagopal, S. C.Boon, "Power Supply Management 2015. J. Chen, "Charge Pump System, Devices and Methods for an Implantable Stimulator", H. Ulusan, A. Muhtaroglu and H. Kulah, "A Sub-500 uW Interface Electronics for W. Ngamkham, M. van Dongen and W. Serdijn, "Biphasic stimulator circuit for a Wide range of electrode-tissue impedance dedicated to cochlear implants", 2012 IEEE B. Swanson, P. Seligman, and P. Carter, "Impedance measurement of the Nucleus 22- electrode array in patients," Ann. Otol. Rhinol. Laryngol, vol. 104, no. 166, pp. 141- 144, 1995. J. Sit and R. Sarpeshkar, "A Low-Power Blocking-Capacitor-Free Charge-Balanced Electrode-Stimulator Chip With Less Than 6 nA DC Error for 1-mA Full-Scale Stimulation", IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, vol. 1, no. 3, pp. M. Makowski and D. Maksimovic, "Performance limits of switched-capacitor DC-DC converters", Proceedings of PESC '95 - Power Electronics Specialist Conference. TR TR DESCRIPTION POWER SYSTEM FOR CONSTANT CURRENT NEURAL STIMULators Technical Field of the Invention The present invention relates to a power system for constant current neural stimulators that provides adaptive supply voltage for neural stimulators to reduce power dissipation by taking advantage of the varying voltage compatibility of constant current stimulation. Prior Art (Prior Art) Neural stimulation has been used to treat or cure those with disorders of certain limbs or organs. Cochlear implants are an example of devices that use neural stimulation because they mimic the functioning of the cochlea to provide hearing in people with sensorineural hearing loss. Additionally, in applications where neural stimulation devices are used, a pacemaker, retinal implant, or neural stimulation may be given to relieve pain. Various methods such as voltage mode, charging mode and current mode can be adopted to realize neural stimulation. Voltage mode is the most efficient mode, but does not provide control over the total charge delivered. This can be controlled with charging mode, but this mode requires large capacitors for adequate charge dissipation. Current mode is the most popular from the USZOl30314129Al document, thanks to its safety and wide load range despite its low efficiency. In the literature, biphasic current pulses are used for constant current stimulation, as shown in Figure 1(b). A two-phase current is used to reduce power dissipation and maintain the charge balance of the neuron. Stimulation is done with electrodes, and the electrode voltage difference corresponding to current stimulation is also shown in Figure 1(b). This voltage waveform is caused by the electrode tissue interface or load impedance, which can be modeled as shown in Figure 1(a). The bulk resistance (Rbulk) models the material between two electrodes, while the electrode-tissue interface is modeled by a capacitor (Csurf). Leakage resistance (Rleakage) is used to model the redox reactions occurring on the electrode surface connected in parallel with Csurf [7]. Additionally, Rleakage is typically ignored due to its larger value [5], [6], [7], [8]. The generation of the two-phase pulse can be done with different applications. The following are examples of various applications where multiple current sources are used, as shown in Figure 2(a) of document US7519428B1, a recharge capacitor 955 is used as shown in Figure 2(b) of document US9079032B2, or as shown in Figure 3 A similar simple switch configuration is used [5]. As mentioned previously, neural stimulators perform their functions either on organs or limbs and, in most cases, in volume-limited scenarios. This brings with it the problem of low capacity battery. Moreover, in most cases these batteries are surgically implanted inside the human body, so they need to be replaced when their performance drops critically due to many charging cycles or they cannot be charged. In order to reduce the discomfort and problems associated with the replacement operation, making these implant devices as efficient as possible has led to studies on this subject. One particular aspect of the neural stimulator that has been focused on is the voltage matching issue. For the load impedance given in Figure 1(a), the voltage generated across the electrodes can be calculated for the specific stimulation current by equation (1) and thus the required voltage match can be determined. For example, for 9 kg and 20 nF load impedance, the calculated voltage for 1 mA and 50 us stimulation current and duration is 11.5 V. However, for a stimulation current of 500 uA, this value drops to 5.75 V. In both scenarios, if it were to be powered by 12 V, power would be wasted in the latter case. This aspect of neural stimulation is exploited to reduce power dissipation. In the next section, several studies on this topic are summarized. Vcomp = IstimRtoplu + -1- IstimAt Unlike some applications, the work presented in USZOl303l4129Al varies the stimulation current itself rather than varying the supply voltage. If the high voltage monitoring block on the stimulator detects that the output voltage on the electrode is lower than a predefined threshold voltage, the stimulation current is changed for the next stimulation. Change, waveform shape, pulse width, amplitude, etc. It can be done for. A specific example is to reduce the pulse width and increase the amplitude of the stimulation current. In this way, the gap between the electrode voltage and the supply voltage is reduced and less power is consumed. As previously mentioned, multiple current sources are used in document US7519428B1. In the case of high voltage compatibility, the electrodes are connected to a current source and sink with positive and negative supply respectively. This is done interchangeably to create a two-phase pulse. When low voltage compatibility is required, one of the electrodes is always connected to ground and the other electrode is connected to a current source in one phase and a current sink in the other phase. In document US9079032B2, the voltage of an electrostimulation energy storage capacitor is monitored and the load impedance is calculated for a given stimulation current by observing how the storage capacitor is discharged. Additionally, a recharge capacitor is connected between the load and ground so that the opposite phase of the stimulation current can be generated. The design in document US9731116B2 also uses the output capacitor of a charge pump, which is charged to a certain voltage prior to stimulation for a certain period of time determined by the controller. For high stimulation currents where the output capacitor is discharged too much, the charge pump is reactivated to charge the output capacitor once more so that voltage compatibility is maintained and correct stimulation can be achieved. The above designs either use knowledge of previous stimulation currents or require complex circuits. Additionally, they only operate at conservative voltage values. The device presented here monitors and adapts to the electrode voltages resulting from constant current stimulation to follow the electrode voltage difference with a certain headroom to ensure adequate voltage matching. An example ideal waveform that is being tried to be obtained is shown in Figure 4. Towards the end of a stimulation period, the supply voltage is pulled down to a predefined high voltage value to prepare for the next stimulation period. Additionally, necessary load balancing methods can be used to prevent neurons from being damaged by potential accumulation in this range. The following sections describe the overall system and the adaptive voltage feeder. Objects of the Invention and Brief Description The present invention relates to a power system that meets the above-mentioned requirements for constant current neural stimulators, eliminates all disadvantages and provides some new advantages. The present invention discloses a power system that provides adaptive supply voltage for neural stimulators to reduce power dissipation by taking advantage of the varying voltage compatibility of constant current stimulation. The voltages of the stimulation electrodes are monitored to determine the required supply voltage. The actuation frequency and number of actuation charge pump stages are then suitably adapted to provide voltage matching for the stimulation circuit. Additionally, a step-down converter is used to power the control circuit to further reduce power loss. An energy harvester and appropriate interface circuit are used to charge the battery for long-term uninterrupted operation. Explanations of Figures Explaining the Invention The figures used to better explain this invention, which has a power system developed for constant current neural stimulators, and their explanations are as follows: Figure 1: Two-phase current pulse used to stimulate neurons (Prior art). Figure 2: Example applications of two-phase pulse generation using (a) multiple current sources US7519428B1 and (b) a charge capacitor (Prior Art). Figure 3: An example switch configuration for two-phase pulse generation (Prior Art). Figure 4: Example of constant supply voltage and electrode voltage monitoring supply voltage Figure 5: Block diagram of the overall neural stimulation system. Figure 6: Block diagram of the charge pump side of the design. Figure 7: Block diagram for the second part of the design. Figure 8: Single stage charge pump with boot capacitor. Figure 9: Single-stage charge pump with charge reuse and boot capacitors. Figure 10: Two-phase stimulation current, corresponding electrode voltage differences and individual electrode voltages. Figure 11: Magnitude comparison circuit for electrode voltages. Figure 12: Differential amplifier used for electrode voltage subtraction. Figure 13: Example waveform for the absolute value of the charge pump output and electrode voltages for the same load when the battery voltage (bottom) varies from 3.7 V to 3.3 V at 200 us. Figure 14: Example waveform for the absolute value of the charge pump output and electrode voltages for the changing load when the battery voltage (bottom) varies from 3.7 V to 3.3 V at 200 us. Figure 15: Working method of the invention. Detailed Description of the Invention In order to better explain a power system developed for constant current neural stimulators with this invention, details are presented below. The block diagram of the overall system can be seen in Figure 5. The adaptive voltage supply and step-down converter are operated from a battery cell. In some examples, the battery may be rechargeable or non-rechargeable. In the rechargeable state, in addition to being able to charge the battery from an external source such as a wireless power transmitter, the battery can be charged using an energy harvester using appropriate interface circuitry. This will extend the time that devices can be operated before needing to be charged. In some examples, the energy harvester may not be included in the system and the battery will be charged from an external source, or the battery may not be charged at all. Besides the adaptive voltage generator, a step-down converter is used to reduce the power dissipation of the control circuit. In some examples, this step-down converter may consist of a switched capacitor converter to achieve a fully integrated design. In some examples, it may be a resonant or multilevel switching transducer containing both capacitive and inductive elements. In some cases, for the step-down converter, a linear converter can be used to reduce size and complexity. Additionally, as mentioned, adaptive voltage supply is used in this system. The main task of adaptive voltage supply is to provide the correct amount of voltage to ensure voltage compatibility to the switch matrix used to generate the required stimulation signal for the stimulation electrodes. To do this, it monitors the voltage at the stimulation electrodes and generates a supply voltage that follows this voltage with a certain voltage headroom, as shown in Figure 4. The next section will explain the adaptive voltage generator in more detail. Adaptive Voltage Supply General description of the Adaptive Voltage Generator: The general design is represented by two block diagrams. The first, shown in Figure 6, is the charge pump side of the design. As mentioned, the charge pump voltage follows the electrode voltage. Monitoring is accomplished in two ways. The first is the control of the number of charge pump stages used, and the second is the frequency control. Controlling the number of stages allows rough control of the output voltage. For example, for an input voltage of 3.3 V and an output voltage of 3 to 6 V, only one stage is operational, while for 9 to 12 V, all three stages must be used. This was adopted due to the natural decrease in charge pump efficiency when the output voltage deviates from the discrete value provided by the charge pump [9]. For an input voltage of 3.3 V, a 3-stage charge pump that quadruples the input voltage will be most efficient when supplying voltages closer to 13.2 V. Thus, to avoid dramatic efficiency loss at low voltage, the voltage range is divided into three parts where different voltage levels can be provided. This is summarized in Table 1. In this table, Bit_1 and Bit_2 are control signals that determine the number of running stages. These control signals are provided from the second part of the design, which will be explained later. This version of the adaptive voltage generator uses a three-stage charge pump, but the number of stages can be increased depending on the required voltage to be supplied to the neural stimulator. Accordingly, the control circuit, drivers, level shifters and the second part of the design, which will be explained, must also be changed. In another example, other topologies of charge pumps can be used. Similar to this configuration, the topology of the design in these examples may also need to be configured. In other examples, it may be sufficient to use pulse width modulation (PWM) or pulse frequency modulation (PFM) control, as described below. Additionally, precise control of the output voltage is ensured by controlling the output impedance of the charging pump, which is achieved by frequency control. For this, an error amplifier and voltage controlled oscillator (VCO) are used. The error amplifier generates a control voltage for the VCO by comparing the split charge pump output voltage with a reference voltage also provided by the second part of the design. In some examples, ripple control may be used to enable and disable the clock signal fed to the non-overlapping clock generator to obtain a regulated voltage. Table 1: Output voltage ranges corresponding to control bits and number of charge pump stages operating. Bit_2 Bit_1 Voutput Operation O 0 3.3 0 O 1 3.3 - 6 V 1 1 O 6 - 9 V 2 l 1 9 - 12 V 3 The block diagram for the second part of the design, which is voltage sampling and control signal generation, is given in Figure 7. EL is the channel electrode and EL_COM is the common electrode. In the first part, electrode voltages are sampled and fed to the subtraction circuit. In the subtraction part, by comparing their sizes, it is determined which electrode has the larger potential, as it varies depending on the phase of the two-phase pulse. This is to ensure proper operation of the differential amplifier used to perform the subtraction. In other examples, magnitude comparison may not be necessary if a circuit is used that can subtract accurately regardless of which electrode voltage is subtracted from which voltage. As a result, the electrode voltages are subtracted and offset by a certain amount and then fed to a flash ADC mapped to two bits. These are Bit_1 and Bit_2, also shown in Figure 6. Comparison voltages for hysteresis comparators are created with a resistive section to drive the correct number of charge pump stages for the desired voltage compatibility. Hysteresis comparators determine whether the charge pump stage is operational. For example, for an input voltage of 3.3 V, a two-stage charge pump can provide an output voltage of 9.9 V at no load. Therefore, considering the load conditions, the design should work such that the third stage does not operate until the required output voltage reaches 9 V. Beyond this value, the third stage should also be operational. Assuming the voltage divider in Figure 6 provides 1/5 of the charge pump output voltage, a reference voltage of 1.8 V will be required for the error amplifier and oscillator to maintain the output voltage at 9 V. As noted, if the results of the subtraction in Figure 7 exceed 1.8 V, the third stage should start operating when the third hysteresis comparator changes its output to HIGH and the third stage begins operating. As can be seen in Figure 7, a resistive divider is used to generate the 1.8 V required for the hysteresis comparator to compare the reference voltage. This is to enable the design to operate under varying supply voltages, as the output voltage at which the third stage starts operating will no longer be 9 V. As mentioned, the subtraction voltage obtained by offset is also the reference voltage for the charge pump, allowing it to follow the electrode voltage. This part of the adaptive voltage supply allows it to be used with any constant current neural stimulation device because it tracks the electrode voltage in real time. In cases where more than three charging stages are used, the flash ADC should be replaced and the bitmap changed accordingly. An adaptive voltage supply generator that reduces the average supply voltage and therefore low average power consumption is provided. Adaptive voltage supply generator in which the required voltage compliance is achieved roughly by controlling the number of charge pump stages, where the maximum number of charge pump stages is determined by the voltage range of the stimulation circuit. Adaptive voltage supply generator, where the required voltage matching is fine-tuned by pulse frequency modulation (PFM) control, the reference for which is provided by the monitoring circuit with a certain headroom to provide the scaled electrode voltage. Thanks to the scaled electrode voltage, it enables real-time monitoring of the electrode voltage when used as a reference for the regulation system. Charge Pump: One stage of the charge pump circuit is given in Figure 8 [10]. It uses two charge transfer capacitors. Node B or Bi is charged in one phase to Vi.1 and then amplified by the input voltage. That is, when (In is HIGH, Bi is equal to Vi-1, and when (In is HIGH), it is amplified by the input voltage. Since the charge pump is dual configuration, the same process applies to B. In addition to the bootstrap method, the bottom of the on-chip MIM capacitors [10] A charge reuse scheme has been adopted to reduce the effects of plate interference, this version is shown in Figure 9: The charge pump in this design is a three-stage version of the circuit given below to get 12 V at the output from a 3.3 V input. Regulation: As mentioned, the charge pump output Two different methods of regulation are used. Coarse regulation is achieved by varying the number of operational charge pump stages. This is done with a flash ADC using three hysteresis comparators. The outputs of these comparators are mapped to two bits, Bit_1 and Bit_2, which determine the number of processing stages as described previously. Comparison voltages for these comparators are created by dividing the input voltage by the same ratio as the output voltage of the charge pump, resulting in the fine regulation described below. As mentioned before, establishing the comparison voltage in this way allows the adaptive voltage source to operate at varying battery voltages, e.g. If the desired output voltage is between two and three times the input voltage, it uses two stages of the charge pump. PFM control method is adopted for precise regulation of charge pump voltage. The operational transconductance amplifier, used as the error amplifier, compares the split output of the charge pump with a reference voltage. According to its output, the control voltage of the oscillator is adjusted so that the switching frequency can change according to the load current. In this way, the output voltage is kept at the desired value by adapting the output impedance of the charging pump. In other examples, ripple-based editing may also be used. Non-overlapping Clock and Drives: Non-overlapping phases are needed for the charging pump to function properly. This is necessary to eliminate short circuit losses of the charge pump. If transistors that should not operate at the same time are open during switching due to timing delays, a short circuit path will occur and this will reduce efficiency. Thus, to prevent this, a conventional non-overlapping generator is used and the clock signals are fed to the switches via a drive chain. In the block diagram shown earlier, it was mentioned that the electrode voltage at its terminals is used as a reference voltage for the error amplifier and to control the number of charge pump stages in operation. The important parts are explained here. Magnitude Comparison: Two-phase stimulation and electrode voltage difference are repeated in Figure 10. In this figure, the individual voltages of the electrodes are also shown. In one phase of stimulation, one electrode voltage is greater and vice versa for the other phase. Therefore, to achieve correct subtraction, magnitude comparison must be made to determine which voltage is being subtracted from which voltage. The circuit used for this purpose is given in Figure II. Subtraction: For subtraction, a difference amplifier is applied as shown in Figure 12. A folded cascode structure is used for the riser. An offset is given to the difference between the electrodes to provide headroom between the switch matrix and the charge pump output voltage. Stimulations: Stimulation results for several scenarios for the charge pump output voltage following the electrode voltage are provided in this section. Figure 13 shows two consecutive stimulation processes in which the same load was used for the same stimulation current, as shown in Table 2. The only thing that changes is the supply voltage. As seen in the lower waveform, the supply voltage varies between 3.7 V and 3.3 V in the 200 us time interval. However, the electrode voltage and the adaptive supply voltage remain the same and thus it has been shown that the system can operate under changing supply voltages. Figure 14 also shows two successive stimulation processes in which the supply was reduced from 3.7 V to 3.3 V, but this time the loads were also different and their values are given in Table 3. Table 2: Stimulation conditions for the waveforms in Figure 13 stimulation # Ryuk Cyük 1. Electr0t 8 k!! 30 nF 2.Elektr0t 8 k!! 30 nF Table 3: Stimulation conditions for the waveforms in Figure 14 stimulation # Ryload Cyload 1. Electr0t 8 k!! 30 nF 2.Elektr0t 6.5 kg 40 nF A monitoring circuit for measuring electrode voltage compatibility and controlling the voltage source generator, wherein the monitoring circuit includes a voltage subtraction circuit with a sign correction method applicable to any neural stimulation system and also includes an operational Contains digitization circuitry for varying the number of charge pump stages. A power system that provides adaptive supply voltage for constant current neural stimulators, comprising: It is configured to be connected to an energy source for extracting the desired voltage levels and reducing the average supply voltage, and said adaptive voltage supply generator will produce the required voltage compatibility with energy sources having varying voltage levels and provide this to the switching matrix used to generate the required stimulation signal for the stimulation electrodes. An adaptive voltage supply generator, configured as follows, a monitoring circuit for measuring electrode voltage compliance and controlling the voltage supply generator, and said monitoring circuit comprising: 0 continuously providing the voltage difference of the electrodes to the supply generator, capable of monitoring this voltage and monitoring this voltage during stimulation. a voltage subtraction circuit that allows it to adapt to any changes that occur, a digitization circuit for varying the number of charge pump stages that operate, a charge pump that monitors the electrode voltage by frequency control and control of the number of charge pump stages used, a charge pump to power the monitoring circuit and detect power loss. a step-down converter configured to be connected to the energy source to provide power to the control circuit to reduce power dissipation of the control circuit, and wherein said step-down converter is used to reduce the power dissipation of the control circuit, a battery charged using an energy harvester using the interface circuit or external source. A battery can be a rechargeable battery. Other aspects of the invention; The system further includes an energy harvesting system configured to charge the rechargeable battery, and said energy harvesting system interface circuitry to recharge the battery and clear ambient energy, adaptively configured to be controlled by the number of charge pump stages for required voltage compatibility. voltage supply generator 0 Includes adaptive voltage supply generator using pulse frequency modulation (PFM) control to fine-tune required voltage compatibility, 0 Charge pump circuit includes level shifters to handle switches connecting the charge pump stages to output, 0 Adaptive voltage generator, three o Adaptive voltage supply and step-down converter uses a battery as an energy source to operate, o Step-down converter consists of a switched capacitor converter, o Step-down converter is a resonant converter, multi-level switching converter or linear converter, o The external source is a wireless power transmitter. To contribute to the battery level by taking energy from the environment where the device is located, sweep the ambient energy with a piezoelectric or similar energy generator system. It is the working method of the system and the method includes the following; Generation of control signals through the control circuit for starting the charge pump and maximizing its output, Generation of control signals through the control circuit for the switch matrix for starting the stimulation process, Activating the voltage sampling circuit and generating the scaled electrode voltage with offset, Reference for pulse frequency modulation control of the scaled electrode voltage Using it as voltage and creating signals for stage number control, Decreasing the charging pump output from its maximum value to the value determined by the scaled electrode voltage and monitoring it, Before the stimulation process ends, the charging pump output is pulled to the maximum with the signals coming from the control circuit via the control circuit to provide sufficient voltage for the next stimulation process. Maintaining the charge pump output at maximum until the start signal is given for the next stimulation period. REFERENCES L. Yao, "Stimulator and Method for Processing a Stimulation Signal", United States L. P. Palmer, "Dual-Range Compliance Voltage Supply for a Multi-Channel D. J. Ternes, S. Vanderlinde, R. Vijayagopal, S. C.Boon, "Power Supply Management 2015. J. Chen, “Charge Pump System, Devices and Methods for an Implantable Stimulator,” H. Ulusan, A. Muhtaroglu and H. Kulah, “A Sub-500 uW Interface Electronics for W. Ngamkham, M. van Dongen and W. Serdijn, "Biphasic stimulator circuit for a Wide range of electrode-tissue impedance dedicated to cochlear implants", 2012 IEEE B. Swanson, P. Seligman, and P. Carter, "Impedance measurement of the Nucleus 22- electrode array in patients," Ann. Otol. Rhinol. Laryngol, vol. 104, no. 166, pp. 141- 144, 1995. J. Sit and R. Sarpeshkar, "A Low-Power Blocking-Capacitor-Free Charge-Balanced Electrode- Stimulator Chip With Less Than 6 nA DC Error for 1-mA Full-Scale Stimulation", IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, vol. 1, no. 3, pp. M. Makowski and D. Maksimovic, "Performance limits of switched -capacitor DC-DC converters", Proceedings of PESC '95 - Power Electronics Specialist Conference.TR TR

Claims (1)

STEMLERSTEMS 1. Sabit akim nöral stimülatörlere yönelik adaptif besleme voltaji saglayan bir güç sistemiolup, özelligi, asagidakileri içermesidir; Istenen voltaj seviyelerini çikarmak ve ortalama besleme voltajini azaltmaya yönelik bir enerji kaynagina baglanacak sekilde konfigüre edilmis ve söz konusu adaptif voltaj besleme jeneratörünün, degisen voltaj seviyelerine sahip enerji kaynaklari ile gerekli voltaj uyumlulugunu üretecek ve bunu stimülasyon elektrotlari için gerekli stimülasyon sinyalini olusturmak için kullanilan anahtarlama matrisine saglayacak sekilde konfigüre edildigi adaptif voltaj besleme j eneratörü, Elektrot voltaji uyumunu ölçmek ve voltaj besleme j eneratörünü kontrol etmeye yönelik bir izleme devresi ve söz konusu izleme devresi asagidakileri içerir: 0 elektrotlarin voltaj farkini sürekli olarak besleme jeneratörüne saglayan, bu voltaji takip ederek stimülasyon sirasinda meydana gelen herhangi bir degisiklige uyum saglamasini saglayan bir voltaj çikarma devresi, o çalisan sarj pompasi asamalarinin sayisini degistirmeye yönelik bir dijitallestirme devresi, Kullanilan sarj pompasi asamalarinin sayisinin kontrolü ve frekans kontrolü ile elektrot voltaj ini izleyen bir sarj pompasi, Izleme devresine güç saglamak ve güç kaybini azaltmak için kontrol devresine güç saglamak üzere enerji kaynagina baglanacak sekilde konfigüre edilmis bir indirici dönüstürücü ve burada söz konusu indirici dönüstürücü, kontrol devresinin güç dagitimini azaltmaya yönelik kullanilir, Bir sarj edilebilir pil. Istem l'e göre sistem olup, özelligi, sistemin ayrica yeniden sarj edilebilir bir pili sarj etmek üzere konfigüre edilmis bir enerji toplama sistemi içeimesidir. Istem l'e göre sistem olup, özelligi, adaptif voltaj besleme jeneratörünün gerekli voltaj uyumlulugu için sarj pompasi asamalarinin sayisi ile kontrol edilecek sekilde yapilanmasidir. Isteml'e göre sistem olup, özelligi, adaptif voltaj besleme jeneratörünün, darbe frekans modülasyonu (PFM) kontrolü ile gerekli voltaj uyumlulugunun ince ayari için yapilanmasidir. Isteml'e göre sistem olup, özelligi, sarj pompasi devresinin, sarj pompasi asamalarini çikisa baglayan anahtarlari islemek için seviye degistiriciler içeimesidir. Isteml'e göre sistem olup, özelligi, adaptif voltaj jeneratörünün, üç asamali bir sarj pompasi kullanmasidir. Isteml'e göre sistem olup, özelligi, söz konusu adaptif voltaj beslemenin ve indirici dönüstürücünün, bir enerji kaynagi olarak bir pil kullanmasidir. Isteml'e göre sistem olup, özelligi, söz konusu indirici dönüstürücünün, bir anahtarlamali kapasitör dönüstürücüden olusmasidir. Isteml'e göre sistem olup, özelligi, söz konusu indirici dönüstürücünün, rezonans dönüstürücü, çok seviyeli anahtarlama dönüstürücü veya dogrusal dönüstürücü olmasidir. Isteml'e göre sistem olup, özelligi, söz konusu harici kaynagin bir kablosuz güç vericisi olmasidir. Istem l'e göre sistemin çalisma yöntemi olup, özelligi, yöntemin asagidakileri içermesidir; o Sarj pompasini çalistirmaya ve çikisini maksimuma çekmeye yönelik kontrol devresi araciligiyla kontrol sinyallerinin üretilmesi, o Stimülasyon sürecini baslatmaya yönelik anahtar matrisi için kontrol devresi üzerinden kontrol sinyallerinin üretilmesi, o Voltaj örnekleme devresinin etkinlestirilmesi ve ofset ile ölçekli elektrot voltaj inin olusturulmasi, o Ölçekli elektrot voltajinin darbe frekans modülasyonu kontrolü için referans voltaji olarak kullanilmasi ve asama numarasi kontrolü için sinyaller olusturulmasi, o Sarj pompasi çikisinin maksimum degerinden ölçeklenmis elektrot voltaji ile belirlenen degere düsürülmesi ve takibinin yapilmasi, 0 Stimülasyon süreci sona ermeden önce kontrol devresi üzerinden sarj pompasi çikisinin kontrol devresinden gelen sinyallerle maksimuma çekilerek sonraki stimülasyon süreci için yeterli voltaj in saglanmasi, 0 Bir sonraki stimülasyon süreci için baslatma sinyali verilene kadar sarj pompasi çikisinin maksimumda tutulmasi.1. It is a power system that provides adaptive supply voltage for constant current neural stimulators, and its feature is that it includes the following; It is configured to be connected to an energy source for extracting the desired voltage levels and reducing the average supply voltage, and said adaptive voltage supply generator will produce the required voltage compatibility with energy sources having varying voltage levels and provide this to the switching matrix used to generate the necessary stimulation signal for the stimulation electrodes. an adaptive voltage supply generator configured as follows, a monitoring circuit for measuring electrode voltage compliance and controlling the voltage supply generator, and said monitoring circuit comprising: a voltage subtraction circuit to enable it to adapt to any change, a digitization circuit to vary the number of charge pump stages operated, a charge pump to monitor the electrode voltage by frequency control and control of the number of charge pump stages used, to power the monitoring circuit and reduce power loss. a step-down converter configured to be connected to the energy source to power the control circuit, and wherein said step-down converter is used to reduce power dissipation of the control circuit. A rechargeable battery. The system according to claim 1, characterized in that the system further includes an energy harvesting system configured to charge a rechargeable battery. It is a system according to claim 1, characterized in that the adaptive voltage supply generator is configured to be controlled by the number of charge pump stages for the required voltage compatibility. It is a system according to Claim 1 and its feature is that the adaptive voltage supply generator is configured for fine tuning of the required voltage compatibility with pulse frequency modulation (PFM) control. It is a system according to claim, characterized in that the charge pump circuit includes level shifters to operate the switches connecting the charge pump stages to the output. It is a system according to claim and its feature is that the adaptive voltage generator uses a three-stage charge pump. The system according to claim 1, characterized in that said adaptive voltage supply and step-down converter use a battery as an energy source. It is a system according to claim 1 and its feature is that the step-down converter in question consists of a switched capacitor converter. It is a system according to claim 1 and its feature is that the step-down converter in question is a resonant converter, multi-level switching converter or linear converter. It is a system according to claim, characterized in that the external source in question is a wireless power transmitter. It is the operating method of the system according to claim 1, and its feature is that the method includes the following; o Generation of control signals through the control circuit for starting the charging pump and maximizing its output, o Generation of control signals through the control circuit for the switch matrix to start the stimulation process, o Activating the voltage sampling circuit and generating the scaled electrode voltage with offset, o Pulse of the scaled electrode voltage Using it as a reference voltage for frequency modulation control and generating signals for stage number control, o Decreasing the charging pump output from its maximum value to the value determined by the scaled electrode voltage and monitoring it, 0 Before the stimulation process ends, the charging pump output is maximized with the signals coming from the control circuit. 0 Maintaining the charge pump output at maximum until the start signal is given for the next stimulation period.
TR2023/007811 2021-01-13 POWER SYSTEM FOR CONSTANT CURRENT NEURAL STIMULATORS TR2023007811T2 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TR2023007811T2 true TR2023007811T2 (en) 2023-08-21

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10363423B2 (en) Pulse-by-pulse compliance voltage generation for an implantable stimulator
US7923865B2 (en) Multi-mode switched capacitor dc-dc voltage converter
US8089787B2 (en) Switched capacitor DC-DC voltage converter
CN111053975B (en) Cardiac pacing device, storage medium, power supply equipment and output voltage control method
US9174051B2 (en) Real time compliance voltage generation for an implantable stimulator
AU2019219879B2 (en) Power efficient stimulators
CN112218677A (en) Circuit for assisting neural sensing in an implantable stimulator device
US20160129269A1 (en) Selectable Boost Converter and Charge Pump for Compliance Voltage Generation in an Implantable Stimulator Device
US20050259454A1 (en) Fractional voltage converter
van Dongen et al. A power-efficient multichannel neural stimulator using high-frequency pulsed excitation from an unfiltered dynamic supply
Urso et al. An Ultra High-Frequency 8-Channel Neurostimulator Circuit With $\text {68}\% $ Peak Power Efficiency
CN101827630B (en) Biomedical electro-stimulator
AU2014307084B2 (en) Power architecture for an implantable medical device having a non-rechargeable battery
US8797771B1 (en) Capacitor based AC to DC step up converter
TR2023007811T2 (en) POWER SYSTEM FOR CONSTANT CURRENT NEURAL STIMULATORS
US20130013011A1 (en) Implantable medical device for pulse generation and with means for collecting and storing energy during a recharge phase
US20240066301A1 (en) Powering system for constant current neural stimulators
Shirafkan et al. A power efficient, differential multichannel adiabatic electrode stimulator for deep brain stimulation
Almarri et al. Design of a power management circuit for an opto-electro stimulator
Koç An adaptive converter for constant current stimulators
US11121624B1 (en) Configurable multi-output charge pump
van Dongen et al. A switched-mode multichannel neural stimulator with a minimum number of external components
Lee et al. A multiple-output fixed current stimulation ASIC for peripherally-implantable neurostimulation system
Koç et al. An Adaptive Converter for Current Neural Stimulators Achieving up to 79% Power Dissipation Reduction
Novo et al. A CMOS 0.8/spl mu/m programmable charge pump for the output stage of an implantable pacemaker