一種適用于中低功率醫用射頻儀的新型可調開關電源設計

康佳，倪燦，侯健，陸巍，周宇△

(1.上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200093；2.上海交通大學醫學院附屬新華醫院，上海 200092)

1 引 言

醫用射頻設備是一種利用高頻電流流過組織時產生的熱效應來實現治療目的的醫用設備，可用于諸多醫學領域[1]。其中，大功率的醫用射頻設備主要用于電凝和電切割等電外科手術中，而中低功率的醫用射頻設備多用于醫學美容、消融等[2-4]。

醫用射頻設備一般包括開關電源、射頻功率放大器、主控部分和接口等[5]。設備在主控部分控制下，由開關電源提供直流信號，再經由射頻功率放大器將直流信號轉換為射頻信號，最后經由接口輸送給生物組織。為適應醫用射頻設備功率可調的要求，需要開關電源的輸出可調?，F有醫用射頻設備的開關電源采用傳統的AC-DC加DC-DC模式，首先將220 V的交流信號轉換為310 V的直流信號，再將310 V的直流信號降壓為所需的直流信號。中低功率的醫用射頻設備需求的直流電壓比較低，若采用現有的開關電源模式，將導致DC-DC的降壓幅度較大，會對開關器件產生過度的電壓應力。為此，本研究設計了一款滿足于中低功率的新型可調開關電源，以確保45 V以內的直流電壓輸出。

2 新型可調開關電源的框架設計

新型可調開關電源由醫用隔離開關電源模塊和低壓降壓模塊組成，應中低功率射頻功率放大器的需求，新型可調開關電源可輸出最大電壓為45 V，最大電流為3.5 A，最大功率為90 W，上升時間也應低于100 ms，極限參數下效率不低于90%，且射頻設備對輸出精度要求相對較低，誤差絕對值不高于10%。醫用開關電源模塊采用商用的醫用隔離電源，如明緯RPS-120系列電源，可將市電轉化為48 V的直流低壓信號，該系列電源符合安全性標準(EN60601-1)和電磁兼容性標準(EN60601-1-2)，可用于BF型患者可接觸的醫療設備[6]；低壓降壓模塊通過高性能直流降壓芯片LT8641將醫用開關電源模塊輸出的直流電壓轉換為0～45 V的可調直流電壓。本研究重點設計了LT8641的可調直流電壓電路，該模式可使開關元件所受的電壓應力減小，且電路體積小，輸出穩定高效。新型可調開關電源的系統框架見圖1。

圖1 新型可調開關電源的系統框架

3 電路設計與仿真

3.1 電路設計

3.1.1LT8641外圍電路設計 LT8641是一款電流模式降壓型DC/DC轉換芯片，采用了Silent Switcher架構，可實現200 kHz～3 MHz的可調頻率下高效率輸出，具有超低的EMI輻射。芯片內置了頂部和底部電源開關MOS管、補償元件和其他必要電路，可將外部元件的數量減到最少，節省了空間。芯片內部還具有過壓保護、輸出短路保護、過溫保護和輸出軟啟動等功能[7-8]，可以實現安全穩定的輸出。

LT8641芯片通過RT管腳外的電阻設置內部頻率振蕩器的振蕩頻率，并以此控制內部頂部與底部的開關MOS管。LT8641的內部框圖見圖2。當負載電流增加時，內部誤差放大器處的0.8 V基準電壓與FB管腳的反饋電壓的差值增大，使誤差放大器的輸出VC節點電壓升高；VC節點電壓升高使頂部開關MOS管的峰值電流增大，電感電流增大，直到滿足負載輸出。當頂部開關MOS管的電流超過VC節點設置的電流峰值時，頂部開關電流比較器將控制頂部開關MOS管關斷[9]。頂部開關MOS關閉的同時，底部開關MOS管將打開，直到下個周期開始或者電感電流降為零。

3.1.2LT8641的運行模式及開關頻率 LT8641具有多種運行模式，包括Burst Mode、Pulse-skipping mode、Spread spectrum mode和Synchronization mode。為了實現開關電源的實時可調，本研究將LT8641設置為Pulse-skipping mode。該模式下內部大部分電路處在喚醒狀態，內部靜態電流將達到幾百微安。

開關頻率較大時，可使元器件的體積縮小，但同時會導致功耗變大，因此，需要更強的散熱能力。為確保足夠高的運行效率，同時電源體積不會太大，本研究設計采用300 kHz的開關頻率。LT8641的頻率通過與RT管腳接地的電阻進行設置，見式(1)：

(1)

式中，RT單位為kΩ；fSW為開關頻率，單位為MHz。

設計開關頻率為300 kHz時，需在RT管腳處添加精度為1%的150 kΩ的電阻。

3.1.3輸出電感的選擇 為減小輸出紋波，滿足更高的負載要求，避免電感的非連續工作模式，必須選擇電感額定值大于最大預期輸出負載的電感。初步選擇為：

圖2 LT8641的內部框圖

(2)

式中，fSW為開關頻率，單位為MHz；Vout為輸出電壓；VSW(bot)為底部開關壓降(最大為0.15 V)；L為電感值，單位為μH。

當占空比DC(Vout/Vin)大于50%時，存在一個最小的電感值，公式如下：

(3)

電感值計算結果，見表1。

表1 電感值計算結果

由表1可知，電感最低應取56 μH。

同時，電感的飽和電流(Isat)額定值必須高于負載電流加上電感紋波電流的1/2，公式如下：

(4)

式中，IL(peak)為峰值電流；ΔIL為電感紋波電流；Iload(max)為最大輸出負載電流，取值為3.5 A。

電感必須足以提供所需的最大輸出電流(Iout(max))，公式如下：

(5)

式中，Iout(max)為最大輸出電流；Ilim為頂部MOS管開關限制電流，在低占空比時為8.2 A，在DC = 0.8時線性降至6.4 A。

電感的紋波電流計算如下：

(6)

式中，L為輸出電感值56 μH；fSW為開關頻率300 KHz；Vin(max)為最大輸入電壓49 V。

由式(6)可知，當最大輸入電壓、電感值以及開關頻率確定時，紋波電流最大值在輸出電壓24.5 V時取得最大值為0.73 A。電流具體計算結果，見表2。

表2 電感電流值計算結果

由表2可知，電感選型時，飽和電流應高于3.86 A，最大直流電流應高于8.08 A。

除滿足輸出的電感值和電流參數外，為保證輸出的高效率，輸出電感的串聯電阻值(DCR)也不宜過高。綜上，最終選取電感值為56 uH，最大直流電流為7.8 A，飽和電流為9 A，DCR值為62 mΩ的電感SRP1770TA-560M。

3.1.4輸出電壓的設定 LT8641的輸出電壓通過輸出和FB管腳之間的電阻分壓器進行設置，見式(7)：

(7)

式中，R2和R3單位為Ω；Vout單位為V。

但本研究是實現0～45 V的可調電壓的輸出，因此，通過FB管腳的電阻分壓器設置輸出電壓的方式不適用，而采用三運放的反饋方式，首先通過輸出與地之間的電阻分壓，然后與設置的電壓控制信號經過兩個1 kΩ電阻分壓后，最后產生可調節LT8641輸出電壓大小的Vfb電壓信號。輸出電壓與控制電壓對應關系如下：

(8)

式中，Vout單位為V；Vcon為控制電壓信號，單位為V。

由式(8)可看出控制電壓的0～1.494 V依次對應輸出電壓的45～3.5 V。為方便調試，控制電壓除了可由單片機提供外，也可由變阻器分壓得到[10-12]。電路見圖3。

圖3 可調控制電路

3.1.5穩定性設計 LT8641芯片是高度集成化的電源芯片，本研究使用LTPowerCAD軟件進行電源的穩定性輸出設計。軟件中主要有如下幾個參數影響電源的穩定性輸出：

PM即相位裕度，是確保電源能夠在最惡劣情況下保持環路的穩定性。本研究系統的相位裕度保持在45°以上。

Gain@fsw/2是指電源在開關頻率一半處的增益值。根據采樣定理，穿越頻率必須小于開關頻率的一半，否則將出現很大的開關紋波。

Total△Vo是由于負載階躍和穩態輸出紋波引起的輸出電壓誤差的絕對值。

當開關頻率固定后，輸出電感、輸出電容以及反饋環路的前饋電容對電源系統環路穩定性起關鍵作用。其中輸出電感已經確定，需要通過調節輸出電容的容值、ESR值以及個數和前饋電容的容值來最終確定整個系統的穩定性。輸出電容與電感將為系統提供一個極點，而輸出電容的ESR將為系統提供一個零點，前饋電容可以提高電源的響應速度，設置合適的前饋電容值可為系統提供一個零點和極點，將開關頻率設置在兩者中間可提高系統的相位裕度[13]。

輸入與輸出電容主要有濾波和儲能的功能。陶瓷電容具有較低的ESR，可以提供更好的濾波性能以及瞬態響應，其中X7R或X5R材質的陶瓷電容可在溫度和電壓變化時擁有更穩定的性能，是陶瓷電容的首選。濾波作用的電容應選擇耐壓足夠且封裝較小的電容，同時應盡量放置在所需管腳附近，以減小環路達到最佳的濾波性能，實現更低的EMI。電解電容的容值相對較大，可以在負載需要較大電流時，充當Bulk電容，為負載提供足夠的電流，以保證電壓的穩定輸出。

經過調試，本研究輸出電容使用了兩個22 uF的陶瓷電容和兩個220 uF的電解電容，前饋電容使用了一個10 pF的陶瓷電容。具體穩定性設計參數見表3。

3.2 仿真結果

為驗證本研究的可行性，確定LT8641的外圍電路，使用ADI公司的LTSpice仿真軟件對電路進行了仿真，其中R5為輸出負載電阻。電路見圖4。

表3 LTPowerCAD主要設計參數

圖4 LT8641仿真電路圖

為驗證本研究的正確性，進行了仿真模擬，主要仿真了輸出最大功率(控制電壓0 V，輸出電壓45 V，輸出電流2 A，輸出功率為90 W)的情況，結果見圖5。

由圖5可知，輸出電壓為44.48 V，輸出電流為1.97 A，電源穩定時間為11.48 ms，經計算誤差絕對值約為1.12%。因此，電源可以實現穩定輸出，符合設計要求。

圖5 LT8641仿真結果圖

3.3 LT8641芯片外圍電路電路圖

經過以上電路設計以及仿真結果，最終確定可調電源的外圍電路，見圖6。

圖6 LT8641設計電路圖

4 電源性能測試結果及分析

本研究測試了空載狀況下，不同控制電壓時的輸出電壓情況，見表4。

表4 可調電源輸出電壓

測試結果顯示，輸出電壓誤差絕對值在10%以內，符合設計要求。低電壓時誤差絕對值較大是可接受的，因為應用時射頻設備開關電源輸出不必過于精確，一般均在10 V以上，且后期可通過MCU控制輸出以提高精度。

通過外接功率電阻，測試了電源最大電壓(輸出電壓45 V，輸出電流1.125 A)、最大電流(輸出電壓25 V，輸出電流3.5 A)以及最大功率(輸出電壓45 V，輸出電流2 A)三種不同的輸出情況的上升時間和輸出效率。測試時最大電壓、最大電流和最大功率分別使用了40、7、20 Ω的電阻，結果見圖7。

圖7 LT8641上升時間測試結果

Fig.7 LT8641 rise time test results

由圖7可知，最大電壓測試時輸出電壓為44.8 V，上升時間為48.7 ms；最大電流測試時輸出電壓為25.4 V，上升時間為17.8 ms；最大功率測試時輸出電壓為44 V，上升時間為65.1 ms。圖5的仿真結果與圖7的測試結果存在較大差異，其原因可能是實際電路中各個元器件存在容差，而仿真是在較為理想的狀況下進行的。例如TR/SS引腳可設置電源軟啟動功能，引腳處的電容容差較大，實際電容容值相對理論值較大時，可能會使電源啟動時上升時間變長。

在測試電源上升時間的同時，進行了電源效率的實驗。為提高實驗的準確性，效率實驗中的電壓以及電阻值都是通過同一萬用表測量。結果見表5。

表5 可調電源輸出效率

由以上測試可知，電源可以實現安全穩定高效的輸出，效率最高可達到93.93 %，符合設計要求。為防止電源啟動時的浪涌電流和輸出電壓過沖，本研究應用芯片的軟啟動功能使電壓出現了階梯狀上升的圖線，電壓相對平穩上升。其中功率最大時的上升時間為65.1 ms，符合設計要求。實物見圖8。

圖8 LT8641可調電源實物圖

5 結論

本研究采用LT8641芯片，實現了0～45 V可調節電壓的穩定輸出。首先根據芯片說明進行了部分元器件參數計算，然后應用LTPowerCAD軟件進行穩定性設計，并用LTSpice仿真軟件進行仿真分析，最終確定了元器件選型和電路設計。經最終實物焊接和測試驗證得出，本研究可以實現安全穩定高效的輸出，輸出電壓為0～45 V，輸出最大電流為3.5 A，最大功率接近100 W，上升時間最長65.1 ms，工作效率最高能達到93.93%，誤差絕對值在6%以下，滿足中低功率的醫用射頻設備要求。驗證了本研究方法具有標準性和實用價值。