機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)

想像一下，利用微創(chuàng)切口來進(jìn)行重大外科手術(shù)，就能大大減輕疼痛，縮短住院時(shí)間，讓病人更快恢復(fù)日常活動(dòng)，并可獲得更佳的臨床效果。但直到最近，可用的外科手術(shù)方式還是非常有限的，只能采用大型切口的傳統(tǒng)開放式手術(shù)或是腹腔鏡手術(shù)，這也就是一種利用光源導(dǎo)管通過小型切口進(jìn)行的手術(shù)。然而，盡管腹腔鏡手術(shù)是一種侵入性極低的手術(shù)，但由于儀器因素，通常只能用來進(jìn)行非常簡(jiǎn)單的步驟。受益于技術(shù)的突破，如今出現(xiàn)了另一種利用機(jī)器人輔助的微創(chuàng)手術(shù)。

這些手術(shù)系統(tǒng)結(jié)合了電腦和機(jī)器人技術(shù)，能用來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輔助腹腔鏡、胸腔鏡或內(nèi)視鏡手術(shù)。通過向外科醫(yī)生提供這些加強(qiáng)的功能，微創(chuàng)手術(shù)將能夠以比傳統(tǒng)外科方法更佳的視覺化效果、精密度、靈敏度和控制來處理更多的情況。

微創(chuàng)機(jī)器人輔助手術(shù)的應(yīng)用廣泛，從心臟手術(shù)到癌癥手術(shù)都能適用，可以治療多種病癥，例如前列腺癌、子宮內(nèi)膜癌、病態(tài)型肥胖和二尖瓣回流等。這些系統(tǒng)以創(chuàng)新方式將機(jī)器人與外科技術(shù)結(jié)合在一起，讓外科醫(yī)生能為各種復(fù)雜病癥的病人提供最有效、侵入性最低的治療方式。

該設(shè)備的典型設(shè)置包括手術(shù)臺(tái)以及病人推車，推車上安裝了互動(dòng)式機(jī)器人手臂和一臺(tái)可觀看身體內(nèi)部的高倍數(shù)3D影像監(jiān)視器。造影和影像引導(dǎo)技術(shù)可為外科醫(yī)生提供有關(guān)重要身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和儀器位置的準(zhǔn)確三維信息。

進(jìn)行手術(shù)時(shí)，外科醫(yī)生會(huì)利用像鉗子一樣的主控設(shè)備來操作。當(dāng)外科醫(yī)生操作控制臺(tái)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)輸入產(chǎn)生實(shí)時(shí)反應(yīng)，并將醫(yī)生的手部、腕部和手指動(dòng)作轉(zhuǎn)換成微型設(shè)備的精密動(dòng)作。圖1所示為機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的照片。

圖1：典型的機(jī)器人輔助手術(shù)機(jī)器

這類系統(tǒng)通常采用分散式電源架構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，它是以AC電源線供電，可能是110VAC或220VAC，然后轉(zhuǎn)換到能為48V電池組充電的隔離式48V DC電壓。48V總線電壓會(huì)流過整個(gè)系統(tǒng)，以對(duì)所有子系統(tǒng)的負(fù)載穩(wěn)壓器的下行點(diǎn)供電，包括機(jī)器人手臂、系統(tǒng)電子、儀器和高清顯示。當(dāng)AC主電源斷電時(shí)，電池組可用來維持系統(tǒng)的運(yùn)行。然而，根據(jù)電池充電的狀態(tài)，電池組電壓可能會(huì)高于、低于或等于48V輸入，因而，要為此應(yīng)用設(shè)計(jì)電源已成為一個(gè)挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，凌力爾特公司最近推出LT8705，這是80V同步降壓-升壓型控制器，可解決這樣的電源需求問題。

新的設(shè)計(jì)方法

LT8705是效率非常高(高達(dá)98%)的同步降壓-升壓型DC/DC控制器，輸入電壓能夠以高于、低于或等于穩(wěn)壓的輸出電壓運(yùn)行。該器件有四個(gè)可調(diào)節(jié)輸入電流/電壓以及輸出電流/電壓的反饋環(huán)路。輸出電流環(huán)路可為電池充電器提供已調(diào)輸出電流，或作為電流源。通過使用具備4開關(guān)同步整流的單一電感器，LT8705能在2.8V至80V的寬廣輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，并產(chǎn)生一個(gè)1.3V至80V的輸出。單一器件最高可提供250W的輸出功率。若將多個(gè)電路并聯(lián)，還能實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率。

其他的特性還包括：能夠顯示哪個(gè)反饋環(huán)路在啟用的伺服引腳、為外部器件供電的3.3V/12mA LDO、可調(diào)整的軟啟動(dòng)、內(nèi)置的芯片溫度監(jiān)測(cè)器，以及-40℃至125℃的工作結(jié)溫范圍。LT8705有38引腳、5mm x 7mm QNF，以及38引線TSSOP兩種封裝形式。同時(shí)，也可提供LT8705的LTspice電路模型，能容易地評(píng)估各種創(chuàng)新應(yīng)用。

LT8705包含四個(gè)誤差放大器，能用來調(diào)節(jié)或限制輸出電流、輸入電流、輸入電壓和輸出電壓。在典型的應(yīng)用中，通常會(huì)調(diào)節(jié)輸出電壓，其余的誤差放大器則是用來監(jiān)控過高的輸入或輸出電流，或是輸入欠壓的情況。在電池充電器等其他應(yīng)用中，輸出電流調(diào)節(jié)器能促進(jìn)恒定的電流充電，直到達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電壓值為止，這時(shí)輸出電壓控制便會(huì)接管任務(wù)。在圖2顯示的電路圖中，此LT8705電路是用來為一個(gè)48V電池充電，并能在從36V至72V之間變化的輸入電壓范圍運(yùn)行。把多個(gè)電路并聯(lián)在一起，便能用于更高功率的應(yīng)用。電路中有4個(gè)外部MOSFET，能使此電路作為同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，并通過配置成為給4個(gè)串聯(lián)12V鉛酸電池充電的電流源。

圖2：LT8705電池充電器電路圖

電源開關(guān)控制

圖3為簡(jiǎn)化的示意圖，其說明了怎樣將4個(gè)電源開關(guān)連接至電感器、VIN， VOUT和地。

圖3：由LT8705驅(qū)動(dòng)4個(gè)MOSFET開關(guān)的簡(jiǎn)化示意圖

當(dāng)VININ明顯高于VOUT時(shí)，該器件將運(yùn)行在降壓模式。在此區(qū)域中，M3始終關(guān)斷而M4始終導(dǎo)通，除非在突發(fā)模式(Burst Mode)操作或不連續(xù)模式中檢測(cè)到反向電流。在每個(gè)周期的起點(diǎn)，同步開關(guān)M2首先接通，而電感器電流由一個(gè)內(nèi)部放大器來檢測(cè)。一個(gè)斜率補(bǔ)償斜坡信號(hào)被加至檢測(cè)電壓，接著與一個(gè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。在檢測(cè)到的電感器電流降至基準(zhǔn)以下之后，開關(guān)M2關(guān)斷，而M1(同步整流器)則在此周期的剩余時(shí)間里接通。開關(guān)M1和M2將交替接通和關(guān)斷，其作用類似于一個(gè)典型的同步降壓型穩(wěn)壓器。

當(dāng)VININ和VOUT彼此靠近時(shí)，占空比將減小，直至達(dá)到轉(zhuǎn)換器在降壓模式中的最小占空比為止，該器件隨后進(jìn)入降壓-升壓區(qū)，而且所有4個(gè)MOSFET將執(zhí)行開關(guān)操作。

當(dāng)VOUT明顯高于VIN時(shí)，該器件將運(yùn)行在升壓模式。在此區(qū)域中，M1始終導(dǎo)通，而開關(guān)M2則始終關(guān)斷。在每個(gè)周期的起點(diǎn)，開關(guān)M3首先接通，而電感器電流由一個(gè)內(nèi)部放大器來檢測(cè)。在檢測(cè)到的電感器電流升至高于基準(zhǔn)電壓之后，開關(guān)M3關(guān)斷，而開關(guān)M4則在此周期的剩余時(shí)間里接通。開關(guān)M3和M4將交替接通和關(guān)斷，其作用類似于一個(gè)典型的同步升壓型穩(wěn)壓器。

故障情況

在某些工作條件下，LT8705將啟動(dòng)一個(gè)故障序列。如果出現(xiàn)任何此類情況(例如：過流或者過壓狀況)，則內(nèi)部開關(guān)操作和時(shí)鐘輸出被停用。與此同時(shí)，一個(gè)超時(shí)序列開始，此時(shí)需要重啟軟起動(dòng)功能。倘若故障持續(xù)存在(比如在過流期間)，將不允許軟起動(dòng)功能重新啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器。在故障情況已被消除且一個(gè)預(yù)先規(guī)定的超時(shí)周期結(jié)束之后，轉(zhuǎn)換器將重新啟動(dòng)，而重新啟動(dòng)的速率取決于分配給LT8705之軟起動(dòng)引腳的電容器數(shù)值。超時(shí)周期可減小器件及其他下游功率組件所承受的電應(yīng)力和熱應(yīng)力。

總結(jié)

機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)能被用來進(jìn)行多種重大的微創(chuàng)手術(shù)，以幫助病人縮短住院時(shí)間，更快恢復(fù)正常行動(dòng)，并取得更佳的臨床效果。如果采用分布式電源架構(gòu)來給這類系統(tǒng)供電，則允許使用一個(gè)負(fù)責(zé)給用于所有子系統(tǒng)的下游負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器供電的48V標(biāo)稱電池后備總線電壓。由于其具備利用一個(gè)可以高于、低于或等于輸入電壓的浮動(dòng)電壓對(duì)電池進(jìn)行高效充電，因此凌力爾特的LT8705同步降壓-升壓型DC/DC控制器能夠顯著地簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)。