機器人手術系統(tǒng)的電源設計

想像一下，利用微創(chuàng)切口來進行重大外科手術，就能大大減輕疼痛，縮短住院時間，讓病人更快恢復日?；顒樱⒖色@得更佳的臨床效果。但直到最近，可用的外科手術方式還是非常有限的，只能采用大型切口的傳統(tǒng)開放式手術或是腹腔鏡手術，這也就是一種利用光源導管通過小型切口進行的手術。然而，盡管腹腔鏡手術是一種侵入性極低的手術，但由于儀器因素，通常只能用來進行非常簡單的步驟。受益于技術的突破，如今出現(xiàn)了另一種利用機器人輔助的微創(chuàng)手術。

這些手術系統(tǒng)結合了電腦和機器人技術，能用來實現(xiàn)機器人輔助腹腔鏡、胸腔鏡或內(nèi)視鏡手術。通過向外科醫(yī)生提供這些加強的功能，微創(chuàng)手術將能夠以比傳統(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)機器人輔助手術的應用廣泛，從心臟手術到癌癥手術都能適用，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)新方式將機器人與外科技術結合在一起，讓外科醫(yī)生能為各種復雜病癥的病人提供最有效、侵入性最低的治療方式。

該設備的典型設置包括手術臺以及病人推車，推車上安裝了互動式機器人手臂和一臺可觀看身體內(nèi)部的高倍數(shù)3D影像監(jiān)視器。造影和影像引導技術可為外科醫(yī)生提供有關重要身體內(nèi)部結構和儀器位置的準確三維信息。

進行手術時，外科醫(yī)生會利用像鉗子一樣的主控設備來操作。當外科醫(yī)生操作控制臺時，系統(tǒng)會對輸入產(chǎn)生實時反應，并將醫(yī)生的手部、腕部和手指動作轉換成微型設備的精密動作。圖1所示為機器人手術系統(tǒng)的照片。

圖1：典型的機器人輔助手術機器

這類系統(tǒng)通常采用分散式電源架構設計。因此，它是以AC電源線供電，可能是110VAC或220VAC，然后轉換到能為48V電池組充電的隔離式48V DC電壓。48V總線電壓會流過整個系統(tǒng)，以對所有子系統(tǒng)的負載穩(wěn)壓器的下行點供電，包括機器人手臂、系統(tǒng)電子、儀器和高清顯示。當AC主電源斷電時，電池組可用來維持系統(tǒng)的運行。然而，根據(jù)電池充電的狀態(tài)，電池組電壓可能會高于、低于或等于48V輸入，因而，要為此應用設計電源已成為一個挑戰(zhàn)。幸運的是，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。

新的設計方法

LT8705是效率非常高(高達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)壓的輸出電壓運行。該器件有四個可調(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)運行，并產(chǎn)生一個1.3V至80V的輸出。單一器件最高可提供250W的輸出功率。若將多個電路并聯(lián)，還能實現(xiàn)更高的輸出功率。

其他的特性還包括：能夠顯示哪個反饋環(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、內(nèi)置的芯片溫度監(jiān)測器，以及-40℃至125℃的工作結溫范圍。LT8705有38引腳、5mm x 7mm QNF，以及38引線TSSOP兩種封裝形式。同時，也可提供LT8705的LTspice電路模型，能容易地評估各種創(chuàng)新應用。

LT8705包含四個誤差放大器，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。在典型的應用中，通常會調(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用中，輸出電流調(diào)節(jié)器能促進恒定的電流充電，直到達到預先設定的電壓值為止，這時輸出電壓控制便會接管任務。在圖2顯示的電路圖中，此LT8705電路是用來為一個48V電池充電，并能在從36V至72V之間變化的輸入電壓范圍運行。把多個電路并聯(lián)在一起，便能用于更高功率的應用。電路中有4個外部MOSFET，能使此電路作為同步降壓-升壓型轉換器，并通過配置成為給4個串聯(lián)12V鉛酸電池充電的電流源。

圖2：LT8705電池充電器電路圖

電源開關控制

圖3為簡化的示意圖，其說明了怎樣將4個電源開關連接至電感器、VIN， VOUT和地。

圖3：由LT8705驅動4個MOSFET開關的簡化示意圖

當VININ明顯高于VOUT時，該器件將運行在降壓模式。在此區(qū)域中，M3始終關斷而M4始終導通，除非在突發(fā)模式(Burst Mode)操作或不連續(xù)模式中檢測到反向電流。在每個周期的起點，同步開關M2首先接通，而電感器電流由一個內(nèi)部放大器來檢測。一個斜率補償斜坡信號被加至檢測電壓，接著與一個基準電壓進行比較。在檢測到的電感器電流降至基準以下之后，開關M2關斷，而M1(同步整流器)則在此周期的剩余時間里接通。開關M1和M2將