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機器人手術(shù)系統(tǒng)的電源設(shè)計
想像一下，利用微創(chuàng)切口來進行重大外科手術(shù)，就能大大減輕疼痛，縮短住院時間，讓病人更快恢復(fù)日常活動，并可獲得更佳的臨床效果。但直到zui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，通常只能用來進行非常簡單的步驟。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)合了電腦和機器人技術(shù)，能用來實現(xiàn)機器人輔助腹腔鏡、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zui有效、侵入性zui低的治療方式。
該設(shè)備的典型設(shè)置包括手術(shù)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(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)和儀器位置的準確三維信息。
進行手術(shù)時，外科醫(yī)生會利用像鉗子一樣的主控設(shè)備來操作。當(dāng)外科醫(yī)生操作控制臺時，系統(tǒng)會對輸入產(chǎn)生實時反應(yīng)，并將醫(yī)生的手部、腕部和手指動作轉(zhuǎn)換成微型設(shè)備的精密動作。圖1所示為機器人手術(shù)系統(tǒng)的照片。
典型的機器人輔助手術(shù)機器
這類系統(tǒng)通常采用分散式電源架構(gòu)設(shè)計。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(dāng)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(yīng)用設(shè)計電源已成為一個挑戰(zhàn)。幸運的是，凌力爾特公司zui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(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)運行，并產(chǎn)生一個1.3V至80V的輸出。單一器件zui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(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，也可提供 LT8705 的 LTspice 電路模型，能容易地評估各種創(chuàng)新應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yù)先設(shè)定的電壓值為止，這時輸出電壓控制便會接管任務(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(yīng)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(zhuǎn)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。
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圖2：LT8705電池充電器電路圖
電源開關(guān)控制
圖3為簡化的示意圖，其說明了怎樣將4個電源開關(guān)連接至電感器、VIN, VOUT和地。
：由LT8705驅(qū)動4個MOSFET開關(guān)的簡化示意圖
當(dāng)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(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)模式中檢測到反向電流。在每個周期的起點，同步開關(guān)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(guān)M2關(guān)斷，而M1(同步整流器)則在此周期的剩余時間里接通。開關(guān)M1和M2將交替接通和關(guān)斷，其作用類似于一個典型的同步降壓型穩(wěn)壓器。
當(dāng)VININ和VOUT彼此靠近時，占空比將減小，直至達到轉(zhuǎn)換器在降壓模式中的zui小占空比為止，該器件隨后進入降壓-升壓區(qū)，而且所有4個MOSFET將執(zhí)行開關(guān)操作。
當(dāng)VOUT 明顯高于VIN時，該器件將運行在升壓模式。在此區(qū)域中，M1始終導(dǎo)通，而開關(guān)M2則始終關(guān)斷。在每個周期的起點，開關(guān)M3首先接通，而電感器電流由一個內(nèi)部放大器來檢測。在檢測到的電感器電流升至高于基準電壓之后，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將啟動一個故障序列。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)操作和時鐘輸出被停用。與此同時，一個超時序列開始，此時需要重啟軟起動功能。倘若故障持續(xù)存在 (比如在過流期間)，將不允許軟起動功能重新啟動轉(zhuǎn)換器。在故障情況已被消除且一個預(yù)先規(guī)定的超時周期結(jié)束之后，轉(zhuǎn)換器將重新啟動，而重新啟動的速率取決于分配給LT8705之軟起動引腳的電容器數(shù)值。超時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)
機器人手術(shù)系統(tǒng)能被用來進行多種重大的微創(chuàng)手術(shù)，以幫助病人縮短住院時間，更快恢復(fù)正常行動，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，則允許使用一個負責(zé)給用于所有子系統(tǒng)的下游負載點穩(wěn)壓器供電的48V標稱電池后備總線電壓。由于其具備利用一個可以高于、低于或等于輸入電壓的浮動電壓對電池進行充電，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化電源設(shè)計。