一种适用于中低功率医用射频仪的新型可调开关电源设计

康佳，倪灿，侯健，陆巍，周宇△

(1.上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093；2.上海交通大学医学院附属新华医院，上海 200092)

1 引 言

医用射频设备是一种利用高频电流流过组织时产生的热效应来实现治疗目的的医用设备，可用于诸多医学领域[1]。其中，大功率的医用射频设备主要用于电凝和电切割等电外科手术中，而中低功率的医用射频设备多用于医学美容、消融等[2-4]。

医用射频设备一般包括开关电源、射频功率放大器、主控部分和接口等[5]。设备在主控部分控制下，由开关电源提供直流信号，再经由射频功率放大器将直流信号转换为射频信号，最后经由接口输送给生物组织。为适应医用射频设备功率可调的要求，需要开关电源的输出可调。现有医用射频设备的开关电源采用传统的AC-DC加DC-DC模式，首先将220 V的交流信号转换为310 V的直流信号，再将310 V的直流信号降压为所需的直流信号。中低功率的医用射频设备需求的直流电压比较低，若采用现有的开关电源模式，将导致DC-DC的降压幅度较大，会对开关器件产生过度的电压应力。为此，本研究设计了一款满足于中低功率的新型可调开关电源，以确保45 V以内的直流电压输出。

2 新型可调开关电源的框架设计

新型可调开关电源由医用隔离开关电源模块和低压降压模块组成，应中低功率射频功率放大器的需求，新型可调开关电源可输出最大电压为45 V，最大电流为3.5 A，最大功率为90 W，上升时间也应低于100 ms，极限参数下效率不低于90%，且射频设备对输出精度要求相对较低，误差绝对值不高于10%。医用开关电源模块采用商用的医用隔离电源，如明纬RPS-120系列电源，可将市电转化为48 V的直流低压信号，该系列电源符合安全性标准(EN60601-1)和电磁兼容性标准(EN60601-1-2)，可用于BF型患者可接触的医疗设备[6]；低压降压模块通过高性能直流降压芯片LT8641将医用开关电源模块输出的直流电压转换为0～45 V的可调直流电压。本研究重点设计了LT8641的可调直流电压电路，该模式可使开关元件所受的电压应力减小，且电路体积小，输出稳定高效。新型可调开关电源的系统框架见图1。

图1 新型可调开关电源的系统框架

3 电路设计与仿真

3.1 电路设计

3.1.1LT8641外围电路设计 LT8641是一款电流模式降压型DC/DC转换芯片，采用了Silent Switcher架构，可实现200 kHz～3 MHz的可调频率下高效率输出，具有超低的EMI辐射。芯片内置了顶部和底部电源开关MOS管、补偿元件和其他必要电路，可将外部元件的数量减到最少，节省了空间。芯片内部还具有过压保护、输出短路保护、过温保护和输出软启动等功能[7-8]，可以实现安全稳定的输出。

LT8641芯片通过RT管脚外的电阻设置内部频率振荡器的振荡频率，并以此控制内部顶部与底部的开关MOS管。LT8641的内部框图见图2。当负载电流增加时，内部误差放大器处的0.8 V基准电压与FB管脚的反馈电压的差值增大，使误差放大器的输出VC节点电压升高；VC节点电压升高使顶部开关MOS管的峰值电流增大，电感电流增大，直到满足负载输出。当顶部开关MOS管的电流超过VC节点设置的电流峰值时，顶部开关电流比较器将控制顶部开关MOS管关断[9]。顶部开关MOS关闭的同时，底部开关MOS管将打开，直到下个周期开始或者电感电流降为零。

3.1.2LT8641的运行模式及开关频率 LT8641具有多种运行模式，包括Burst Mode、Pulse-skipping mode、Spread spectrum mode和Synchronization mode。为了实现开关电源的实时可调，本研究将LT8641设置为Pulse-skipping mode。该模式下内部大部分电路处在唤醒状态，内部静态电流将达到几百微安。

开关频率较大时，可使元器件的体积缩小，但同时会导致功耗变大，因此，需要更强的散热能力。为确保足够高的运行效率，同时电源体积不会太大，本研究设计采用300 kHz的开关频率。LT8641的频率通过与RT管脚接地的电阻进行设置，见式(1)：

(1)

式中，RT单位为kΩ；fSW为开关频率，单位为MHz。

设计开关频率为300 kHz时，需在RT管脚处添加精度为1%的150 kΩ的电阻。

3.1.3输出电感的选择 为减小输出纹波，满足更高的负载要求，避免电感的非连续工作模式，必须选择电感额定值大于最大预期输出负载的电感。初步选择为：

图2 LT8641的内部框图

(2)

式中，fSW为开关频率，单位为MHz；Vout为输出电压；VSW(bot)为底部开关压降(最大为0.15 V)；L为电感值，单位为μH。

当占空比DC(Vout/Vin)大于50%时，存在一个最小的电感值，公式如下：

(3)

电感值计算结果，见表1。

表1 电感值计算结果

由表1可知，电感最低应取56 μH。

同时，电感的饱和电流(Isat)额定值必须高于负载电流加上电感纹波电流的1/2，公式如下：

(4)

式中，IL(peak)为峰值电流；ΔIL为电感纹波电流；Iload(max)为最大输出负载电流，取值为3.5 A。

电感必须足以提供所需的最大输出电流(Iout(max))，公式如下：

(5)

式中，Iout(max)为最大输出电流；Ilim为顶部MOS管开关限制电流，在低占空比时为8.2 A，在DC = 0.8时线性降至6.4 A。

电感的纹波电流计算如下：

(6)

式中，L为输出电感值56 μH；fSW为开关频率300 KHz；Vin(max)为最大输入电压49 V。

由式(6)可知，当最大输入电压、电感值以及开关频率确定时，纹波电流最大值在输出电压24.5 V时取得最大值为0.73 A。电流具体计算结果，见表2。

表2 电感电流值计算结果

由表2可知，电感选型时，饱和电流应高于3.86 A，最大直流电流应高于8.08 A。

除满足输出的电感值和电流参数外，为保证输出的高效率，输出电感的串联电阻值(DCR)也不宜过高。综上，最终选取电感值为56 uH，最大直流电流为7.8 A，饱和电流为9 A，DCR值为62 mΩ的电感SRP1770TA-560M。

3.1.4输出电压的设定 LT8641的输出电压通过输出和FB管脚之间的电阻分压器进行设置，见式(7)：

(7)

式中，R2和R3单位为Ω；Vout单位为V。

但本研究是实现0～45 V的可调电压的输出，因此，通过FB管脚的电阻分压器设置输出电压的方式不适用，而采用三运放的反馈方式，首先通过输出与地之间的电阻分压，然后与设置的电压控制信号经过两个1 kΩ电阻分压后，最后产生可调节LT8641输出电压大小的Vfb电压信号。输出电压与控制电压对应关系如下：

(8)

式中，Vout单位为V；Vcon为控制电压信号，单位为V。

由式(8)可看出控制电压的0～1.494 V依次对应输出电压的45～3.5 V。为方便调试，控制电压除了可由单片机提供外，也可由变阻器分压得到[10-12]。电路见图3。

图3 可调控制电路

3.1.5稳定性设计 LT8641芯片是高度集成化的电源芯片，本研究使用LTPowerCAD软件进行电源的稳定性输出设计。软件中主要有如下几个参数影响电源的稳定性输出：

PM即相位裕度，是确保电源能够在最恶劣情况下保持环路的稳定性。本研究系统的相位裕度保持在45°以上。

Gain@fsw/2是指电源在开关频率一半处的增益值。根据采样定理，穿越频率必须小于开关频率的一半，否则将出现很大的开关纹波。

Total△Vo是由于负载阶跃和稳态输出纹波引起的输出电压误差的绝对值。

当开关频率固定后，输出电感、输出电容以及反馈环路的前馈电容对电源系统环路稳定性起关键作用。其中输出电感已经确定，需要通过调节输出电容的容值、ESR值以及个数和前馈电容的容值来最终确定整个系统的稳定性。输出电容与电感将为系统提供一个极点，而输出电容的ESR将为系统提供一个零点，前馈电容可以提高电源的响应速度，设置合适的前馈电容值可为系统提供一个零点和极点，将开关频率设置在两者中间可提高系统的相位裕度[13]。

输入与输出电容主要有滤波和储能的功能。陶瓷电容具有较低的ESR，可以提供更好的滤波性能以及瞬态响应，其中X7R或X5R材质的陶瓷电容可在温度和电压变化时拥有更稳定的性能，是陶瓷电容的首选。滤波作用的电容应选择耐压足够且封装较小的电容，同时应尽量放置在所需管脚附近，以减小环路达到最佳的滤波性能，实现更低的EMI。电解电容的容值相对较大，可以在负载需要较大电流时，充当Bulk电容，为负载提供足够的电流，以保证电压的稳定输出。

经过调试，本研究输出电容使用了两个22 uF的陶瓷电容和两个220 uF的电解电容，前馈电容使用了一个10 pF的陶瓷电容。具体稳定性设计参数见表3。

3.2 仿真结果

为验证本研究的可行性，确定LT8641的外围电路，使用ADI公司的LTSpice仿真软件对电路进行了仿真，其中R5为输出负载电阻。电路见图4。

表3 LTPowerCAD主要设计参数

图4 LT8641仿真电路图

为验证本研究的正确性，进行了仿真模拟，主要仿真了输出最大功率(控制电压0 V，输出电压45 V，输出电流2 A，输出功率为90 W)的情况，结果见图5。

由图5可知，输出电压为44.48 V，输出电流为1.97 A，电源稳定时间为11.48 ms，经计算误差绝对值约为1.12%。因此，电源可以实现稳定输出，符合设计要求。

图5 LT8641仿真结果图

3.3 LT8641芯片外围电路电路图

经过以上电路设计以及仿真结果，最终确定可调电源的外围电路，见图6。

图6 LT8641设计电路图

4 电源性能测试结果及分析

本研究测试了空载状况下，不同控制电压时的输出电压情况，见表4。

表4 可调电源输出电压

测试结果显示，输出电压误差绝对值在10%以内，符合设计要求。低电压时误差绝对值较大是可接受的，因为应用时射频设备开关电源输出不必过于精确，一般均在10 V以上，且后期可通过MCU控制输出以提高精度。

通过外接功率电阻，测试了电源最大电压(输出电压45 V，输出电流1.125 A)、最大电流(输出电压25 V，输出电流3.5 A)以及最大功率(输出电压45 V，输出电流2 A)三种不同的输出情况的上升时间和输出效率。测试时最大电压、最大电流和最大功率分别使用了40、7、20 Ω的电阻，结果见图7。

图7 LT8641上升时间测试结果

Fig.7 LT8641 rise time test results

由图7可知，最大电压测试时输出电压为44.8 V，上升时间为48.7 ms；最大电流测试时输出电压为25.4 V，上升时间为17.8 ms；最大功率测试时输出电压为44 V，上升时间为65.1 ms。图5的仿真结果与图7的测试结果存在较大差异，其原因可能是实际电路中各个元器件存在容差，而仿真是在较为理想的状况下进行的。例如TR/SS引脚可设置电源软启动功能，引脚处的电容容差较大，实际电容容值相对理论值较大时，可能会使电源启动时上升时间变长。

在测试电源上升时间的同时，进行了电源效率的实验。为提高实验的准确性，效率实验中的电压以及电阻值都是通过同一万用表测量。结果见表5。

表5 可调电源输出效率

由以上测试可知，电源可以实现安全稳定高效的输出，效率最高可达到93.93 %，符合设计要求。为防止电源启动时的浪涌电流和输出电压过冲，本研究应用芯片的软启动功能使电压出现了阶梯状上升的图线，电压相对平稳上升。其中功率最大时的上升时间为65.1 ms，符合设计要求。实物见图8。

图8 LT8641可调电源实物图

5 结论

本研究采用LT8641芯片，实现了0～45 V可调节电压的稳定输出。首先根据芯片说明进行了部分元器件参数计算，然后应用LTPowerCAD软件进行稳定性设计，并用LTSpice仿真软件进行仿真分析，最终确定了元器件选型和电路设计。经最终实物焊接和测试验证得出，本研究可以实现安全稳定高效的输出，输出电压为0～45 V，输出最大电流为3.5 A，最大功率接近100 W，上升时间最长65.1 ms，工作效率最高能达到93.93%，误差绝对值在6%以下，满足中低功率的医用射频设备要求。验证了本研究方法具有标准性和实用价值。